SPE in der Praxis

SPE eignet sich auch für den Anschluss von Sensoren an schwer zugänglichen Orten in Prozessanlagen. © Burger Engineering/KI-generiert

In einem konkreten Projekt in der Prozessindustrie sollte beispielsweise eine bestehende Anlage modernisiert werden. Bislang analog angebundene Sensoren sollten durch eine IP-basierte Kommunikation ersetzt werden. Die Sensorik befand sich in weitläufigen und teilweise schwer zugänglichen Bereichen mit Leitungslängen von mehreren hundert Metern.

Die Entscheidung fiel auf Single Pair Ethernet, um Verkabelungsaufwand und Installationskosten zu reduzieren. In der ersten Umsetzung zeigte sich jedoch schnell, dass das System unter realen Bedingungen nicht stabil arbeitete. Insbesondere EMV-Einflüsse durch benachbarte Leistungskomponenten sowie nicht ausreichend spezifizierte Leitungen führten zu sporadischen Kommunikationsabbrüchen.

Zusätzlich kam es durch Spannungsabfälle entlang der Leitung zu instabilen Versorgungszuständen der Sensorik. Temperaturunterschiede innerhalb der Anlage verstärkten diese Effekte zusätzlich.

Erst durch eine ganzheitliche Überarbeitung – inklusive angepasster Leitungswahl, optimierter Schirmkonzepte, optimierter PoDL-Auslegung und Layout-Anpassungen – konnte eine stabile Lösung umgesetzt werden.

Vorgehensweisen für erfolgreiche SPE-Projekte

Der Schlüssel zu erfolgreichen SPE-Projekten liegt in einer konsequenten Systembetrachtung von Anfang an. Dazu gehört insbesondere eine enge Verzahnung von Hardware-, Software- und Systementwicklung. Bereits in der Konzeptphase sollten Leitungslängen, Topologien, Datenraten und Leistungsanforderungen klar definiert werden. Darauf aufbauend erfolgt die Auswahl geeigneter PHYs, Kabel und Steckverbinder.

Ein durchgängiges EMV-Konzept ist essenziell. Simulationen und Pre-Compliance-Messungen helfen, potenzielle Schwachstellen frühzeitig zu identifizieren. Ebenso wichtig ist eine realistische Auslegung der Energieversorgung, die auch Worst-Case-Szenarien berücksichtigt. Darüber hinaus sollte die Integration in bestehende Systeme frühzeitig geplant werden. Hybride Architekturen, in denen Single Pair Ethernet parallel zu klassischen Feldbussen betrieben wird, sind in der Praxis häufig der Regelfall.

Besonders kritisch ist dabei die elektromagnetische Verträglichkeit, die bei SPE eine zentrale Rolle spielt. Durch die Übertragung über ein einzelnes Adernpaar fehlt die inhärente Symmetrie mehrpaariger Systeme, wodurch SPE-Systeme empfindlicher auf Gleichtaktstörungen und externe Einstrahlungen reagieren. Typische Störquellen sind Frequenzumrichter, Schaltnetzteile oder lange parallel geführte Leistungsleitungen. Diese können Störungen einkoppeln, die sich direkt auf die Signalqualität auswirken. Zur Beherrschung dieser Effekte sind mehrere Maßnahmen erforderlich. Eine zentrale Rolle spielt die saubere differenzielle Signalführung im PCB-Layout mit kontrollierter Impedanz. Ergänzend müssen geeignete Common-Mode-Chokes und Filter eingesetzt werden, um Störungen zu unterdrücken.

Auch die Wahl der richtigen Kabel ist entscheidend. So tragen geschirmte Leitungen mit definierten Übertragungseigenschaften wesentlich zur Stabilität bei. Der Schirmanschluss muss dabei beidseitig korrekt ausgeführt werden, um eine wirksame Ableitung von Störungen zu gewährleisten. Und nicht zuletzt ist auch die mechanische Integration relevant, denn die Führung von Leitungen, Abstände zu Störquellen und die Erdungskonzepte der Gesamtanlage beeinflussen die EMV-Performance maßgeblich.

Potenziale und Grenzen von Single Pair Ethernet

Der Autor: Jörg Klenke ist Mitglied der Geschäftsführung und PMO bei Burger Engineering. © Burger Engineering

Single Pair Ethernet bietet vor allem drei zen-trale Vorteile: durchgängige IP-Kommunikation bis in die Feldebene, reduzierte Verkabelung sowie erweiterte Diagnosemöglichkeiten.

1. Sensordaten lassen sich ohne Protokollbrüche direkt in übergeordnete Systeme übertragen. Dadurch wird die Netzarchitektur vereinfacht und Medienbrüche werden vermieden.
2. SPE ermöglicht höhere Datenraten und die Übertragung umfangreicher Diagnosedaten. Dies schafft die Grundlage für Zustandsüberwachung, Predictive Maintenance und datengetriebene Optimierungsansätze.
3. Die Übertragung über ein einzelnes Adernpaar reduziert den Verkabelungsaufwand und ermöglicht kompaktere Geräte. Gerade in modularen Anlagen, weitläufigen Infrastrukturen oder bei Retrofit-Projekten ergeben sich daraus klare Effizienzvorteile.

Gleichzeitig hat sich SPE bislang noch nicht flächendeckend in der Industrie etabliert. Ein wesentlicher Grund dafür sind die Kosten: SPE-Komponenten, insbesondere PHYs, Steckverbinder und spezialisierte Kabel, sind aktuell häufig teurer als etablierte Feldbuslösungen. Hinzu kommt der hohe Entwicklungsaufwand. Die notwendige Systemoptimierung, insbesondere im Bereich EMV und Energieversorgung, führt zu längeren Entwicklungszeiten und höheren Engineering-Kosten.

Ein weiterer Faktor ist die bestehende installierte Basis. Viele Unternehmen verfügen über bewährte Feldbussysteme, die zuverlässig funktionieren. Der wirtschaftliche Druck, diese Systeme kurzfristig zu ersetzen, ist oft gering. Auch die Standardisierung und Interoperabilität befinden sich teilweise noch in der Entwicklung. Unterschiedliche Steckgesichter, Kabellösungen und Implementierungsansätze erschweren die breite Einführung. Nicht zuletzt fehlt es in vielen Unternehmen noch an Erfahrungswerten im Umgang mit SPE, was die Hemmschwelle für neue Projekte erhöht.

Warum SPE nur im Gesamtsystem stabil funktioniert

Die Stabilität von SPE ergibt sich aus dem engen Zusammenspiel aller Systemkomponenten. Ursache ist die gemeinsame Übertragung von Daten und Energie über dasselbe Adernpaar: Störungen, Spannungsabfälle oder Impedanzabweichungen wirken sich unmittelbar auf die Signalqualität und die Kommunikationsstabilität aus. Einzelne Optimierungen bleiben daher wirkungslos, wenn angrenzende Bereiche nicht konsistent ausgelegt sind. Physik, Energieversorgung, Layout, Firmware und mechanische Integration sind funktional gekoppelt. Änderungen in einem dieser Bereiche beeinflussen daher unmittelbar das Gesamtsystemverhalten. Gerade in industriellen Umgebungen mit hohen EMV-Belastungen zeigt sich, dass nur ein ganzheitlich entwickeltes System langfristig zuverlässig funktioniert.

Vor diesem Hintergrund kann es sinnvoll sein, spezialisierte Entwicklungspartner frühzeitig einzubinden. Insbesondere bei begrenzten internen Ressourcen oder fehlender System-erfahrung lassen sich so typische Fehler in frühen Projektphasen vermeiden und Entwicklungszeiten verkürzen. Gerade bei komplexen Randbedingungen, etwa langen Leitungslängen, hybriden Architekturen oder hohen EMV-Anforderungen, können externe Erfahrungen dazu beitragen, Auslegungsfehler zu vermeiden und Iterationszyklen zu reduzieren.

So wird sichergestellt, dass Single Pair Ethernet nicht nur im Labor funktioniert, sondern auch unter realen industriellen Bedingungen stabil und wirtschaftlich betrieben werden kann.

Redaktion: Andrea Gillhuber