Fachthema
Großes Potential für SPE und APL
Single Pair Ethernet (SPE) und Advanced Physical Layer (APL) bringen Ethernet bis auf die Feldebene. Daten und Energie werden über ein einziges Adernpaar übertragen – über große Distanzen, robust und IP-basiert vom Sensor bis zur Cloud.
Im Bereich der Informationstechnologie sind Ethernet und IP-basierende Protokolle längst zur Standard-Kommunikationslösung geworden. Industrial Ethernet ist die gängige Sammelbezeichnung für Standards um diese Technik in der Fertigungs- und Prozessindustrie sowie vielen weiteren Branchen zu etablieren.
Single Pair Ethernet (SPE) und Advanced Phyical Layer (APL) tauchen jüngst als Begriffe im Umfeld von Industrial Ethernet auf. Diese Technik hat auch darüber hinaus in vielen Anwendungen großes Potenzial und ist daher für Embedded Systems Entwickler:innen besonders interessant.
Was ist Single Pair Ethernet? (SPE)
Single Pair Ethernet (SPE) wurde ursprünglich für Anwendungen in Fahrzeugen unter dem Namen BroadR-Reach entwickelt. Die Kommunikation erfolgt nur über ein verdrilltes Adernpaar. In herkömmlichen Ethernet Netzwerken verwendet man 2 oder 4 Paare, d.h. bis zu 8 Adern.
Die Haupttreiber bei der Entwicklung von SPE waren Platzbedarf und Gewicht zu reduzieren und damit Aufwand und Kosten einzusparen. Besonders in Fahrzeugen, in der Robotik und Sensorik ist das von großem Vorteil.
Im ISO/OSI Referenzmodell beschreibt Single Pair Ethernet nur die physikalische Schicht (Schicht 1). Es handelt sich um ein Verfahren um Daten bidirektional über ein Adernpaar zu übertragen. Alle Schichten darüber entsprechen den bekannten und weit verbreiteten Netzwerkverfahren. SPE erlaubt somit eine durchgängige IP-basierte Kommunikation vom Sensor oder Aktor bis zur Cloud mit einem einheitlichen Protokollstandard für das Industrial Internet of Things (IIoT).
Mittlerweile gibt es SPE-Standards mit Datenraten von 10 Mbit/s bis zu 1 Gbit/s und je nach Standard mit Reichweiten bis zu 1000 m. Optional kann über das gleiche Adernpaar die Stromversorgung von Endgeräten erfolgen (Power over Data Line = PoDL).
SPE wird heute in vielen Industrie- und Fahrzeuganwendungen eingesetzt. Es zeichnet sich durch hohe EMV-Robustheit aus und unterstützt Echtzeitfähigkeit mittels Time-sensitive-Networking Technologie (TSN).
Im Automobilbereich können Kameras, Radar, Lidar, Sensor- und Aktornetze, d.h. die gesamte Bordnetzkommunikation mittels SPE einheitlich verdrahtet werden und mit Steuergeräten kommunizieren.
In der Industrieautomation wird SPE für die einheitliche Verdrahtung von Sensoren und Aktoren, IO-Modulen, Feldgeräten und Steuerungen verwendet. In Maschinenbau und Robotik spielt SPE seine Stärken auf Grund der verringerten Anzahl an Adern in Schleppketten, dynamisch bewegten Anwendungen und platzkritische Designs aus.
Was ist Advanced Physical Layer (APL)?
Auf Grund der langen Entfernungen, die mittels SPE-Standards überbrückt werden können, und der hohen Verfügbarkeit, ist SPE auch eine attraktive Technologie für die Prozessindustrie. Speziell für diese Branche wurde mit Advanced Physical Layer (APL), ein SPE-Standard für Übertragungsraten von 10 Mbit/s über bis zu 1000 m Entfernung, entwickelt, der auch eigensicher in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Bereiche) eingesetzt werden kann.
Darüber hinaus können bereits vorhandene Feldbusleitungen oder 4-20mA Verdrahtungen wiederverwendet werden. Vereinfachend kommt dazu, dass auf die Polung der beiden Adern keine Rücksicht genommen werden muss.
Zusammenfassung
Embedded-Entwickler:innen sollten sich mit SPE und APL beschäftigen. Ethernet und IP-basierende Protokolle dringen damit bis auf die unterste Feldebene vor und ersetzen klassische Feldbusse. Für das Netzwerk ist nur ein Adernpaar notwendig, und es lassen sich Daten und Energie über große Distanzen übertragen. Das vereinfacht die Implementierung von Netzwerken und Geräteschnittstellen, senkt Kosten und ermöglicht neue Gerätekonzepte.
APL öffnet zusätzlich den Zugang zur Prozessindustrie und zu Ex-Bereichen, die langlebige und stabile Märkte sind. Die Verwendung eines transparenten Netzwerks vom Sensor bis zur Cloud senkt Kosten, bringt mehr Flexibilität und eröffnet neue Möglichkeiten für viele Anwendungsbereiche.