Wykorzystanie jednoparowych sieci Ethernet, aby zaoszczędzić miejsce i wagę, jednocześnie poprawiając parametry działania przemysłowego Internetu rzeczy

Ethernet to najpopularniejszy standard sieci przewodowej w sieciach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), zapewniający solidne parametry działania i sprawdzoną niezawodność. Ponadto technologia Power over Ethernet (PoE) redukuje oprzewodowanie, zapewniając zasilanie czujników i punktów końcowych IIoT za pośrednictwem jednego kabla Ethernet. Ethernet stał się również standardem w samochodach osobowych, w wielu przypadkach zastępując protokół szeregowy CAN (Controller Area Network). Zapewnia on zauważalne korzyści dla autonomicznej jazdy i zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS) ze względu na swoją niezawodność i wysoką szybkość transmisji danych.

Jednak w dużych sieciach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) wiązki kabli Ethernet mogą stać się tak duże, ciężkie i nieporęczne, że będą obciążać sprzęt w stopniu wymagającym dodatkowego wzmocnienia. Jest to szczególnie problematyczne w zastosowaniach motoryzacyjnych, gdzie dodatkowa masa i przestrzeń zmniejszają nośność i zwiększają zużycie paliwa. W transporcie przemysłowym, np. w ciężarówkach, pociągach pasażerskich i towarowych oraz samolotach, dodatkowe rozmiary i waga kabli mogą być na tyle duże, że konieczne jest jej uwzględnienie podczas projektowania, zwiększając koszty i spowalniając czas konfiguracji.

Aby rozwiązać te problemy, producenci wprowadzili jednoparowe złącza i kable Ethernet (SPE), które obsługują również zasilanie przez linie danych (PoDL). Technologia SPE zapewnia szybką transmisję danych oraz zasilanie za pomocą tylko jednej skrętki dwużyłowej. W tym artykule wyjaśnimy zalety technologii SPE w zastosowaniach przemysłowych i transportowych. Następnie omówione zostaną dwa złącza SPE firmy Phoenix Contact a także dwa kable SPE, które są odpowiednie do zastosowań SPE.

Technologia SPE a konwencjonalny Ethernet

Ethernet to najpopularniejszy standard sieci przewodowej w komercyjnych i przemysłowych sieciach lokalnych (LAN). Najczęściej używane wersje to 10/100Base-T Ethernet, który do przesyłania danych wykorzystuje dwie skrętki dwużyłowe oraz Gigabit Ethernet, który wykorzystuje cztery skrętki dwużyłowe. Ponieważ systemy automatyki przemysłowej wymagają większych prędkości, Gigabit Ethernet z zasilaniem PoE stał się bardziej popularny do łączenia komputerów z czujnikami. Zwykle do skrętek używa się drutu miedzianego o przekroju 24AWG. Osiem przewodów jest zwykle zamkniętych wewnątrz przemysłowego kabla CAT5e pokrytego taśmą piankową i ekranem foliowym. W dużym zakładzie przemysłowym można zobaczyć setki takich kabli poprowadzonych po całym budynku. Takie kable mogą stać się ciężkie i zamiast prowadzić je po podłodze, gdzie ktoś może się o nie potknąć, łączy się je w wiązki przymocowane do ścian i sprzętu. Wiązki te mogą ważyć nawet 20kg i więcej, a jeśli nie zostanie uwzględniony dodatkowy ciężar dodatkowych kabli, mogą one nadwyrężyć lub uszkodzić system podtrzymania kabli, a nawet przewrócić sprzęt.

Ponadto konwencjonalne kable Ethernet mają ograniczenie długości do 100m. W przypadku większych obiektów przemysłowych i systemów automatyki budynków czasami konieczne jest zastosowanie powtarzaczy, aby kable te można było doprowadzić do bardziej oddalonych czujników. Zwiększa to złożoność systemu i wprowadza kolejne punkty wymagające konserwacji. Biorąc pod uwagę dodatkowy czas i dodatkowe koszty prowadzenia tych grubych, ciężkich kabli, jasne jest, że potrzebna jest alternatywna metoda okablowania.

Technologia SPE zapewnia szybką transmisję danych oraz zasilanie za pomocą tylko jednej skrętki dwużyłowej. Pozwala na zastosowanie kabli o długości do 1000m, zwiększając zasięg czujników sieciowych bez użycia powtarzaczy. To znacznie obniża wagę i ułatwia instalację poprzez uproszczenie układu, zapewniając maksymalną sprawność energetyczną, mniejsze rozmiary oraz niższe koszty konfiguracji i konserwacji w porównaniu z konwencjonalną siecią Ethernet. Podczas gdy w instalacjach przemysłowych mogą być stosowane osłony ekranowane, aby zapobiec wzajemnym zakłóceniom między wiązkami kablowymi, obsługiwane są również lekkie kable nieekranowane. Jest to zaleta w zastosowaniach motoryzacyjnych, pozwalająca na zastosowanie lekkich kabli, które można łatwiej poprowadzić w miejscach o ograniczonej przestrzeni, na przykład pod siedzeniami i pod stopniami nadwoziowymi. Dzięki połączeniu zalet w postaci mniejszego i lżejszego kabla, a także szybkiego przesyłu danych wspólnie z zasilaniem w jednej ekonomicznej parze przewodów, oczekuje się, że SPE stanie się popularnym, jeśli nie dominującym, standardem komunikacji przemysłowej.

Podstawy technologii SPE

Formalną specyfikacją IEEE dla SPE 10Mbit/s jest 802.3cg. Obsługuje transmisję danych w pełnym dupleksie do odległości 1000m.

IEEE 802.3bw obsługuje transmisję danych w pełnym dupleksie do 100Mbit/s dla kabli o długości do 50m. Jest przeznaczony dla szybkich czujników w zastosowaniach przemysłowych i niektórych zastosowaniach motoryzacyjnych.

IEEE 802.3bp obsługuje transmisję danych w pełnym dupleksie z prędkością do 1000Mbit/s dla długości kabla do 15m. Przy tej długości kabla ma zastosowanie w niektórych instalacjach z czujnikami przemysłowymi, ale szczególnie nadaje się do wideo o wysokiej rozdzielczości, a także do małych samolotów i komercyjnych zastosowań motoryzacyjnych, w których dane z czujników muszą być szybko przesyłane na stosunkowo niewielką odległość.

Obecnie standard IEEE 802.3ch obsługuje prędkości do 10Gbps przy długości kabla do 15m. Jest podobny do 802.3bp, ale zawiera warstwę fizyczną (PHY). Koncentruje się przede wszystkim na komercyjnych zastosowaniach motoryzacyjnych i przemysłowych, w których wysokie szybkości transmisji danych, mniejsza średnica kabla, a zwłaszcza niższa waga, są bardzo ważnymi względami projektowymi układu.

Technologia SPE z zasilaniem przez linie danych (PoDL) zasila czujnik Ethernet lub punkt końcowy tą samą skrętką dwużyłową, przy czym ilość dostarczanej mocy zależy od długości kabla i średnicy przewodu. Przy maksymalnej długości 1000m przy użyciu przewodu o przekroju 14AWG, specyfikacja IEEE dopuszcza w punkcie końcowym napięcie 60V i moc 13,53W.

Sprzęt do przemysłowych jednoparowych sieci Ethernet (SPE)

W połączeniach jednoparowych sieci Ethernet (SPE) zamiast złączy RJ45 stosuje się nowy standard złącza IEC 63171 T1. Firma Phoenix Contact oferuje grupę złączy i kabli SPE przeznaczonych do zastosowań przemysłowych.

Do przemysłowych zastosowań SPE, które wymagają stopnia ochrony IP67 firma Phoenix Contact oferuje połączenie M8 wykorzystujące wkładkę SPE M8-2 1163793 z osłoną M8 1412502 (ilustracja 1). Połączenie osłony i zespołu wkładki zapewnia stopień ochrony IP67, który jest odpowiedni dla trudnych warunków przemysłowych. Ten lekki zespół nadaje się również do układów lotniczych i transportowych.

Ilustracja 1: wkładka 1163793 M8-2 (po lewej) i osłona M8 1412502 (po prawej) firmy Phoenix Contact zapewniają rozwiązanie SPE M8 o stopniu ochrony IP67 po zmontowaniu. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Zespół złącza może dostarczać zasilanie przez linie danych (PoDL) o napięciu do 72V przy natężeniu 4A i jest przystosowany do temperatur w zakresie od -40°C do +85°C, dzięki czemu nadaje się do zasilania punktów końcowych przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i węzłów czujników w środowiskach zewnętrznych. Popularny format złącza M8 ułatwia producentom systemów wymianę istniejących czujników i sprzętu ze złączami M8 na standard SPE. Zespół złącza SPE wykorzystuje standardowy wzór złącza SPE M8-2 z kodowaniem D, dzięki czemu mamy pewność, że do zespołu złącza wprowadza się tylko kable SPE.

Sprzęt do jednoparowych sieci Ethernet (SPE) dla przedsiębiorstw

Jednoparowe sieci Ethernet (SPE) są również odpowiednie w instalacjach korporacyjnych, w tym w środowiskach biurowych, gdzie lżejsze okablowanie o mniejszej średnicy jest łatwiejsze do wykonania i poprowadzenia. Instalacje przemysłowe IP67 mogą łatwo wchodzić w interakcję z tymi instalacjami korporacyjnymi przy użyciu tej samej sieci SPE. W przypadku instalacji korporacyjnych, które zwykle wymagają stopnia ochrony IP20, odpowiednim rozwiązaniem jest lutowane przewlekane gniazdo modułowe SPE 1163797 IEC 63171 firmy Phoenix Contact z zaciskiem blokującym zapewniającym solidne połączenie kablowe (ilustracja 2).

Ilustracja 2: gniazdo modułowe SPE 1163797 firmy Phoenix Contact jest zgodne ze wszystkimi aktualnymi standardami SPE. Jest przystosowane do napięcia 72V przy natężeniu 4A. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Wkładka M8-2 zawiera wypusty, które mają zapobiegać błędnym połączeniom. Gniazdo posiada dwa pozłacane wtyki ze stopu miedzi, które zapewniają minimalną rezystancję zestykową, umożliwiając dostarczanie zasilania przez linie danych (PoDL) o napięciu do 70V przy natężeniu 4A. Obudowa M8 jest mosiężna i niklowana, co gwarantuje odporność na korozję.

Gniazdo 1163797 jest zgodne ze wszystkimi aktualnymi specyfikacjami złączy SPE 802.3cg/bu/bw/bp. Jest skonstruowane tak, aby wytrzymać trudne warunki, w tym ponad 750 cykli wkładania i wyjmowania. Charakteryzuje je stopień ochrony IP20, zakres temperatur roboczych od -40°C do +85°C i wymiary 5x8,35x14,2mm. Dzięki temu nadaje się do montażu lutowanego w komputerach jednopłytkowych (SBC) oraz programowalnych sterownikach logicznych (PLC), gdzie kable są czasami zamieniane. Może być przydatne na przykład w zakładach produkcyjnych, które mogą wymagać przezbrajania pod kątem różnych zespołów produktów.

Kable SPE do przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT)

Na potrzeby krótkich połączeń SPE firma Phoenix Contact dostarcza kabel SPE 1183808 o długości 2m. Ten kabel obsługuje technologię zasilania przez linie danych (PoDL) z przesyłem prądu o napięciu do 72V przy natężeniu 4A i posiada dwa gniazda SPE na końcach (ilustracja 3). Podczas gdy w przypadku konwencjonalnych sieci Ethernet wtyczki są na końcach kabli a gniazda w punktach końcowych, w przypadku sprzętu SPE sytuacja wygląda odwrotnie.

Płaszcz kabla wykonany jest z poliuretanu, który jest odporny na światło ultrafioletowe (UV), ścieranie i większość rozpuszczalników. Kable poliuretanowe są również odporne na kurczenie się i pękanie spowodowane ekspozycją na światło słoneczne i wodę, a także na błędy użytkowania, do których często dochodzi w środowiskach przemysłowych. Kabel jest chroniony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) przez ekran z oplotu miedzianego owinięty folią aluminiową powlekaną tworzywem sztucznym. Dzięki temu nadaje się do środowisk o wysokim poziomie zakłóceń, zwłaszcza w połączeniu z innymi kablami o dużej prędkości.

Ilustracja 3: kabel 1183808 SPE firmy Phoenix Contact ma 2m długości i jest wyposażony w ochronną powłokę poliuretanową. Posiada ekran chroniący przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i obsługuje szybkości transmisji danych do 1000Mbit/s. (Źródło ilustracji: Phoenix Contact)

Styki gniazda kabla są wykonane ze stopu miedzi i obsługują transmisję danych 10Mbit/s zgodną ze standardem 802.3cg, a także prędkość 100Mbit/s standardu 802.3bw. Najwyższa prędkość transmisji wynosi 1000Mbit/s wg standardu 802,3bp, co sprawia, że nadaje się nie tylko do czujników, ale także do sprzętu monitoringu wideo o wysokiej rozdzielczości (HD).

Chociaż płaszcz kabla jest odporny na wodę i kurz, a także na ogień zgodnie z normą UL94V0, zespół kablowy ma stopień ochrony IP20 ze względu na złącza zakończenia kabla. Każde złącze posiada zacisk blokujący, który stabilnie łączy kabel z punktem końcowym w postaci gniazda. Ten mechanizm blokujący jest częścią standardowego złącza SPE, aby zapobiec przypadkowemu wyjęciu w ruchliwych środowiskach. Kabel jest przystosowany do pracy w temperaturach od -40°C do +85°C i do 750 cykli wkładania i wyjmowania. Nadaje się do użytku wewnątrz budynków na tablicach połączeniowych, a także do połączeń między czujnikami przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i puszkami połączeniowymi SPE.

Na potrzeby zastosowań wymagających dłuższego kabla firma Phoenix Contact oferuje kabel SPE 1183811 o długości 5m i parametrach identycznych z 1183808.

Podsumowanie

Przejście na jednoparową sieć Ethernet (SPE) w dziedzinach takich jak przemysłowy Internet rzeczy (IIoT), motoryzacja i instalacje korporacyjne, pomaga projektantom zaspokoić zapotrzebowanie na szybkie rozwiązania w zakresie łączności, które są lżejsze, mniejsze i łatwiejsze w użyciu, a jednocześnie obniżają koszty. Jednak projektanci muszą być ostrożni przy wyborze złączy i kabli, których używają podczas wdrażania sieci opartych na technologii SPE, aby zapewnić niezawodną łączność w środowiskach fizycznie trudnych i o dużych szumach elektrycznych.

Dostępne są warianty złączy, które umożliwiają łatwe łączenie instalacji firmowych o stopniu ochrony IP20 z przemysłowymi systemami sterowania o stopniu ochrony IP67 za pomocą złączy M8 SPE, zapewniając bezproblemową łączność i zasilanie w obu środowiskach. Dzięki dodatkowym możliwościom technologii zasilania przez linie danych (PoDL), łączność SPE ułatwia dostarczanie zarówno zasilania, jak i danych do punktów końcowych IIoT zarówno w środowiskach korporacyjnych, jak i przemysłowych bez konieczności prowadzenia dodatkowego okablowania, co znacznie upraszcza i usprawnia wdrożenia.