Bild 1: Kundenanforderungen an Geräte und Systeme entlang ihrer Lebenszyklen und Lösungsansätze der Hersteller. © Belden

Die folgenden Abschnitte gehen im Detail auf die in Bild 1 durch Fettdruck hervorgehobenen Aspekte ein. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die vielfach diskutierte Anforderung der Harmonisierung von Steckverbindern sowie die Definition und Anwendung entsprechender Normen in der ersten Zeile zur Perspektive des Geräteherstellers und in der Spalte zur Integration und Inbetriebnahme unter der Thematik Interoperabilität wiederzufinden sind. Da hierzu derzeit zahlreiche Veröffentlichungen erscheinen, wird an dieser Stelle auf eine weiterführende Diskussion dieses Sachverhalts verzichtet.

Nicht im Detail ausgeführt werden außerdem die Aspekte der Bereitstellung digitaler Geräterepräsentanzen in Engineering-Bibliotheken, die eine einfache Integration des Gerätes in das Systemdesign ermöglichen, sowie Themen, die mit dem sicheren, zuverlässigen und kosteneffizienten Betrieb der Geräte und Systeme verknüpft sind. Die in Bild 1 dargestellten Anforderungen und Lösungsansätze für diesen Lebenszyklusabschnitt gelten als selbsterklärend. 

Bild 2: Standard-Darstellung eines SPE-Übertragungssystems. © Belden

Zur Erläuterung sei ein SPE-Übertragungssystem gemäß Bild 2 betrachtet. Die beiden Teilnehmer des Kommunikations- systems implementieren jeweils eine medienspezifische Transceiver-(PHY-)Komponente sowie eine medienunabhängige Zugriffskontroll-(MAC-)Komponente. Beide können als separate integrierte Schaltungen (ASICs) oder auch als kombinierte MAC-PHY-ASICs für eine kompakte Endgeräte-Implementierung verfügbar sein. Die Schnittstelle zwischen MAC und PHY ist ein xMII-Interface, das je nach Ausprägung (parallel oder seriell, Datenrate) 16 Daten-Signale (MII) bis 4 Daten-Signale (SGMII) pro Port aufweist. Ein Switch-ASIC muss mit seinen multiplen MAC-Komponenten mehrere PHY-Komponenten entsprechend der Anzahl der Schnittstellen des Switches (Ports) unterstützen. Dafür existieren grundsätzlich zwei Ansätze:

• Separate xMII-Schnittstellen pro Port, z.B. MII, RMII, GMII, SGMII: Dieser Ansatz führt zu einer Vielzahl von Signalen zwischen dem Switch-ASIC und den verbundenen PHYs und damit zu erhöhtem Platzbedarf auf der Leiterkarte. Zudem weisen verfügbare Switch-ASICs – ursprünglich für den Automotive-Bereich entwickelt – meist nur wenige Ports auf, von denen einige bereits mit einem Nicht-SPE-PHY beschaltet sind. Eine Rückgewinnung der xMII-Schnittstelle erfordert zusätzliche Komponenten, was Platzbedarf und Kosten weiter erhöht.
• Bündelung mehrerer Schnittstellen durch serielle Signalübertragung (QSGMII, O-USGMII): Dieser Ansatz setzt Multi-Port-PHYs mit derselben xMII-Schnittstelle voraus. Solche PHYs existieren für SPE bisher nicht. Ein Grund dafür ist, dass die definierten Multi-Port-fähigen seriellen Schnittstellen hohe Datenraten unterstützen und somit speziell für 10BASE-T1L überdimensioniert (QSGMII 5 Gbit/s, O-USGMII 10 Gbit/s) und für eine Multi-Port-10BASE-T1L-PHY-Implementierung zu teuer sind. Eine IEEE 802.3 Study Group befasste sich daher bis Juli 2025 mit einem "Pin-Optimized PHY Interface" (POPI) zur Verbindung mit einem 8-Port-PHY bis 2 Gbit/s, um ein entsprechendes Projekt zu initiieren.

SCCP-Integration in PoDL-Controller

Neben dem SPE-Übertragungssystem zeigt Bild 2 auch das SPE-spezifische Leistungsfernspeisungssystem Power over Data Line (PoDL) mit Leistungsquelle (Power Source Equipment, PSE) und -senke (Powered Device, PD), die jeweils durch einen dedizierten PoDL-Controller gesteuert werden.

Bild 3: Externe Beschaltung eines PoDL-PSE-Controllers. © Analog Devices

Verfügbare PoDL-Controller benötigen für die Implementierung des Klassifizierungsprotokolls SCCP, das die für die Leistungsübertragung anzuwendende PoDL-Klasse ermittelt, eine externe Beschaltung mit mindestens zwei Transistoren und diskreten Bauelementen sowie, im Fall des im Switch implementierten PSE-Controllers einen Mikrocontroller. Bild 3 zeigt die Beschaltung eines PSE-Controllers für einen (Switch-)Port. Die blau markierte Fläche kennzeichnet die für SCCP erforderlichen Ergänzungen auf der Leiterplatte. Je nach Portanzahl ergibt sich daraus ein relevantes Einsparpotenzial an Fläche, das beim PD-Controller im Endgerät allerdings geringer ausfällt.

Komponentenverfügbarkeit: Begrenzte Auswahl an Endgeräten mit SPE-Schnittstelle

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Beitrags ist die Zahl verfügbarer Aktoren und Sensoren mit SPE-Schnittstelle überschaubar. Fokus aktueller Modelle sind Entwicklungen für nicht-explosionsgefährdete Bereiche der Prozessindustrie sowie hybride Industrien mit hohem Anteil an kontinuierlichen Prozessen. Dafür lassen sich zwei Hauptgründe nennen:

In diesen Sektoren ersetzt SPE bestehende Technologien wie das HART-Protokoll, die aufgrund technischer Einschränkungen keine umfassende Bereitstellung von Betriebsdaten ermöglichen. In anderen Bereichen, etwa der diskreten Fertigung, existieren bereits Lösungen, die allerdings eine Integration über Gateways benötigen, oder es wird bereits Multi-Pair-Ethernet auf Feldebene verwendet, beispielsweise zur Anbindung von Kamerasystemen.

Hersteller, die Geräte für diese Sektoren entwickeln, bieten oft auch Aktoren oder Sensoren für explosionsgefährdete Bereiche an, in denen das SPE-Derivat Ethernet-APL eingesetzt wird. Dadurch ergeben sich Synergien zwischen SPE- und APL-Entwicklung.

Die Argumente für SPE sind derweil bekannt. In Teil 1 unserer SPE-Serie aus 2024 wurden fünf technische Merkmale benannt, anhand derer sich der Nutzen für spezifische Anwendungen bewerten lässt: nahtlose Kommunikation (transparentes Netzwerk ohne Gateways), Bandbreite, Reichweite, Leistungsfernspeisung und physikalische Eigenschaften wie Kabelflexibilität. Ergänzend ist die einfache Installation der Zweidrahtleitung zu nennen. Für die Anbindung von Feldgeräten lassen sich derzeit zwei Hauptanwendungsfälle unterscheiden, die mit unterschiedlichen SPE-Systemen realisiert werden:

• 10BASE-T1L: Bis zu 10 Mbit/s können über Distanzen bis 1000 m angeschlossen werden. In Teil 4 der Serie aus 2024 wurde aufgezeigt, dass diese Bandbreite ausreichend ist für die Anbindung einer IP-Kamera zu Überwachungszwecken. Die hohe Reichweite in Kombination mit der Möglichkeit der Leistungsfernspeisung ist ein Alleinstellungsmerkmal dieser SPE-Variante: Ethernet über Kupferkabel ist im Allgemeinen auf die Reichweite von 100 m begrenzt, Glasfaserkabel hingegen können keine Leistung übertragen.
• 1000BASE-T1: Bis zu 1 Gbit/s über Entfernungen bis 40 m. Der Vorteil gegenüber Multi-Pair-Ethernet (100BASE-TX oder 1000BASE-T) liegt in den physikalischen Eigenschaften und der Einfachheit der Installation.

Gegenüber Nicht-Ethernet-Verbindungen ist für beide Fälle der Vorteil der Nachtlosigkeit hervorzuheben. Beide Varianten ermöglichen eine durchgängige Ethernet-Kommunikation zwischen IT-Systemen und Feldgeräten, wodurch der Aufwand für Einrichtung und Administration im Vergleich zu durch Gateways unterbrochenen Netzwerken reduziert wird. Dies kann Inbetriebnahme- und Betriebskosten senken und somit die Lebenszykluskosten verringern.

Einen Vorgeschmack auf diese Vorteile bieten Retrofit- bzw. Adaptationsansätze, die die vorhandenen Schnittstellen von Endgeräten mit einem SPE-Transceiver ausstatten und somit Nicht-Ethernet-Endgeräte für IT-Anwendungen sichtbar machen und für beliebige (Ethernet- und Nicht-Ethernet-) Geräte eine SPE-Verkabelung ermöglichen. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden:

• Nicht-Ethernet-Endgeräte: Ein Gateway mit einerseits der Originalschnittstelle und andererseits einer SPE-Schnittstelle stellt die Verbindung her. Die Größe eines solchen Gateways entspricht etwa einem M12-Steckverbinder. Über die SPE- bzw. IP-Schnittstelle steht häufig ein Webserver zur Konfiguration des Gateways bereit.
• Ethernet-Endgeräte (Multi-Pair): Mehrere Geräte werden über einen Ethernet-Switch via 10BASE-T1L (perspektivisch 100BASE-T1L) unter Berücksichtigung der Summe ihrer benötigten Bandbreiten verbunden, um die größere Reichweite zu nutzen. Der Switch übernimmt zusätzlich die Konvertierung von PoE nach PoDL/SPoE, also die Adaption der Schemata für Fernspeisung. Durch die größere Reichweite kann die Anzahl an Schaltschränken oder sogar Betriebsräumen zwischen Endgerät und IT-Umgebung reduziert werden, was beispielsweise in Gebäuden wie Hotels oder Krankenhäusern zu Einsparungen führen kann.

Mit der Wahrnehmung dieser Vorteile erhöht sich hoffnungsweise die Bereitschaft der Endgerätehersteller, SPE direkt in ihre Produkte zu integrieren.

Standard-Profile für die Verkabelung

Die Auswahl geeigneter Kabel und Steckverbinder zur Realisierung eines Übertragungskanals für Multi-Pair-Ethernet-Anwendungen ist in der ISO/IEC 11801-1 für einen Standardkanal von 100 m beschrieben. Für SPE werden dagegen Kanäle von 100 m, 400 m und 1000 m berücksichtigt, um unterschiedlichen Anwendungen Rechnung zu tragen.

Die SPE-Steckverbinder-Norm IEC 63171 definiert Kategorien für die in ISO/IEC 11801-1 spezifizierten Bandbreiten und somit Mindestanforderungen an SPE-Steckverbinder für deren Verwendung für den entsprechenden Kanal.

Für die Auswahl des geeigneten SPE-Kabels sind Anwender derzeit auf Datenblattangaben oder Berechnungen auf Basis der Kabelgeometrie angewiesen. Neben der Einfügedämpfung (IL) ist der Gleichstromschleifenwiderstand (DCR) relevant, da er die Reichweite bei Leistungsfernspeisung begrenzt.

Mit den Grenzwerten können maximale Reichweiten für verschiedene Kabelquerschnitte ermittelt werden, wobei für die Parameter IL und DCR die maximale Umgebungstemperatur der Applikation zugrunde gelegt werden muss.

Bild 4: Reichweiten von 10BASE-T1L (2,4 Vpp) und PoDL für verschiedene Kabelquerschnitte. © Belden

Bild 4 stellt die Reichweiten von 10BASE-T1L für die Signal-Amplitude von 2,4 Vpp (blaue Stufen) und die PoDL-Klassen 10 bis 15 (Balken) für verschiedene Aderquerschnitte von SPE-Kabeln und die  Umgebungstemperatur von maximal 70 °C dar.

Der Autor: Dr. Michael Hilgner ist Principal Technology Architect bei Belden, Inc. © Belden

Aus Bild 4 lässt sich ablesen, dass Kabel mit Aderquerschnitt AWG 18 einen Kanal von 1000 m für 10BASE-T1L/2,4 Vpp unterstützen, während sich die Reichweite bei AWG 22 auf etwa 720 m reduziert. Für die betrachtete SPE-Variante ist der Gleichstromschleifenwiderstand der limitierende Faktor für die Reichweite ist. Beispielsweise ergeben sich für Kabel mit dem Aderquerschnitt von AWG 22 Reichweiten von ca. 60 m, 160 m und 420 m für die PoDL-Klassen 12 und 15, 11 und 14 beziehungsweise 10 und 13.

Die technisch möglichen (maximalen) Reichweiten lassen sich dem in Bild 4 dargestellten Graphen entnehmen. Für die Planung eines umfangreichen Netzwerks ist dieses Vorgehen jedoch nicht praktikabel. Zudem basiert dieser Ansatz auf der Annahme, dass Kabel mit den dargestellten Ader- querschnitten am Markt verfügbar sind. In der Praxis streben Planer und Kabelhersteller jedoch eine geringe Vielfalt und standardisierte Lösungen an. Typische Kombinationen aus Reichweiten und Querschnitten sollen daher als Standardprofile genormt werden – sowohl für die reine Datenübertragung als auch für die gleichzeitige Daten- und Leistungsübertragung. Die Reichweiten dieser Profile liegen aufgrund der Harmonisierung für verschiedene Anwendungsfälle grundsätzlich unterhalb des technisch Machbaren.