Jednoparowy Ethernet w aplikacjach przemysłowego Internetu Rzeczy

Mimo to w rozbudowanych sieciach wiązki kabli komunikacyjnych stają się grube, ciężkie i nieporęczne w układaniu i wymagają dodatkowego wzmocnienia mechanicznego. Jest to szczególnie problematyczne w zastosowaniach motoryzacyjnych, gdzie dodatkowa masa i przestrzeń zmniejszają pojemność użytkową i zwiększają zużycie paliwa. W zastosowaniach transportu przemysłowego, takich jak ciężarówki, pociągi pasażerskie i towarowe oraz samoloty, dodatkowe rozmiary i waga kabli mogą być na tyle duże, że trzeba je uwzględniać w projekcie systemu, w tym w kosztach instalacji i konfiguracji.

Wiele z tych problemów rozwiązuje nowy standard Ethernetu wykorzystujący jedną parę przewodów. Single Pair Ethernet (SPE) to dopasowane złącza i kable, które realizują komunikację oraz zapewniają również zasilanie przez linie danych (PoDL, Power over Data Line). W tym artykule przedstawiono zalety SPE w zastosowaniach przemysłowych i transportowych. Następnie omówione zostaną dwa złącza SPE firmy Phoenix Contact oraz dwa kable odpowiednie do zastosowań SPE.

SPE a tradycyjny Ethernet

Ethernet to najpopularniejszy standard komunikacyjny sieci przewodowej LAN. Najczęściej używane wersje to 10/100Base-T, który wykorzystuje dwie skręcone pary przewodów do przesyłania danych oraz Gigabit Ethernet, który wykorzystuje cztery skręcone pary. Ponieważ z roku na rok systemy automatyki przemysłowej wymagają większych prędkości transmisji, Gigabit Ethernet z zasilaniem przez PoE zyskał na popularności i wykorzystywany jest do łączenia komputerów z czujnikami. Zwykle w skrętkach używa się drutu miedzianego o przekroju 24 AWG (0,2 mm²). Te osiem przewodów skręconych w 4 pary jest zwykle pokrytych taśmą piankową, folią ekranującą i zamkniętych wewnątrz płaszcza kabla CAT5e.

W dużym zakładzie przemysłowym można zobaczyć setki takich kabli poprowadzonych po całym budynku. Wiązki te są ciężkie i nie można prowadzić ich po podłodze, gdzie ktoś może się o nie potknąć. Stąd są one mocowane do ścian i sprzętu z użyciem metalowych korytek, podpórek i kołków w ścianach.

Ponadto konwencjonalne kable Ethernetu mają limit długości określony na 100 m. Stąd w przypadku większych obiektów przemysłowych i systemów automatyki budynkowej czasami muszą być stosowane repeatery, aby zwiększyć zasięg sieci i zapewnić dotarcie do odległych czujników. Zwiększa to jeszcze bardziej złożoność systemu i wprowadza kolejne zadania do planu konserwacji i utrzymania w ruchu. Z dodatkowym czasem i dodatkowymi kosztami prowadzenia tych grubych, ciężkich kabli, jasne jest, że potrzebna jest jakaś alternatywa.

SPE pozwala na dwukierunkową transmisję danych i przesyłanie zasilania za pomocą jednej skrętki dwużyłowej. Obsługuje kable o długości do 1000 m bez użycia wzmacniaczy. To znacznie obniża wagę okablowania i ułatwia instalację przewodów poprzez uproszczenie instalacji i zapewnia niższe koszty konfiguracji i konserwacji w porównaniu z konwencjonalnym rozwiązaniem Ethernetu. SPE pozwala na użycie lekkich kabli nieekranowanych. Jest to zaleta w zastosowaniach motoryzacyjnych, umożliwiająca stosowanie lekkich kabli, które można łatwiej poprowadzić w miejscach o ograniczonej przestrzeni, np. pod siedzeniami i listwami progowymi. Dzięki wielu zaletom ekonomicznym oraz możliwości realizacji szybkiej wymiany danych wraz z dostarczaniem zasilania, oczekuje się, że SPE stanie się popularnym, jeśli nie dominującym, standardem komunikacji przemysłowej w kolejnych latach.

Specyfikacje SPE

Specyfikacja IEEE dla prędkości 10 Mbit/s SPE to 802.3cg. Obsługuje ona transmisję danych w pełnym dupleksie do 1000 m. Z kolei IEEE 802.3bw obsługuje transmisję danych w pełnym dupleksie do 100 Mbit/s dla kabli o długości do 50 m. Ta wersja przeznaczona jest do obsługi czujników wizyjnych w zastosowaniach przemysłowych i niektórych zastosowaniach motoryzacyjnych. Wersja IEEE 802.3bp obsługuje transmisję danych w pełnym dupleksie z prędkością do 1 Gbit/s dla długości kabla do 15 m. Przy tej długości ma zastosowanie w niektórych zaawansowanych czujnikach przemysłowych, ale szczególnie nadaje się do przesyłania wideo o wysokiej rozdzielczości, w samolotach i motoryzacji, w których dane z szybkich czujników muszą być przesyłane na stosunkowo niewielką odległość.

Jeszcze bardziej wydajny IEEE 802.3ch obsługuje prędkość do 10 Gbps przy długości kabla do 15 m. Jest podobny do 802.3bp, ale zawiera definicję warstwy fizycznej (PHY). Jest kierowany do zastosowań komercyjnych, motoryzacyjnych i przemysłowych, w których duże szybkości transmisji danych, mniejsza średnica kabla, a zwłaszcza niższa waga, są ważnymi kryteriami projektowymi systemu.

SPE z opcją zasilania PoDL zapewnia moc o maksymalnej wartości zależnej od długości kabla i grubości przewodu. Przy maksymalnej długości 1000 m przy użyciu przewodu 14 AWG (2 mm²), specyfikacja IEEE zapewni napięcie 60 V i 13,53 W w urządzeniu końcowym.

Przemysłowy sprzęt SPE

 

Rys. 1. Wkładka 1163793 M8-2 firmy Phoenix Contact (po lewej) i obudowa 1412502 M8 (po prawej) zapewniają połączenie SPE M8 z IP67

Wersje przemysłowe SPE nie wykorzystują typowych złączy RJ45. Zamiast nich występuje nowy standard złącza IEC 63171 T1. Takie elementy wytwarza firma Phoenix Contact, która ma w ofercie całą rodzinę złączy i kabli SPE przeznaczonych do aplikacji przemysłowych. W przypadku zastosowań, które wymagają zapewnienia odporności środowiskowej IP67, firma Phoenix Contact oferuje wersję M8 przy użyciu wkładki 1163793 SPE M8-2 z obudową 1412502 M8 (rys. 1). Uszczelnione połączenie obudowy i zespołu wkładki zapewnia stopień ochrony IP67, a lekka konstrukcja nadaje się również do systemów lotniczych i transportowych.

Złącze to może przenieść zasilanie do 72 V przy 4 A i jest przystosowane do temperatur pracy w zakresie od –40 do +85°C, dzięki czemu nadaje się do zasilania punktów końcowych IIoT i węzłów czujników w środowiskach zewnętrznych. Popularny rozmiar M8 ułatwia producentom systemów wymianę istniejących czujników i sprzętu z istniejącymi złączami M8 na SPE. Wersja SPE wykorzystuje model złącza M8-2 z kodowaniem D, dzięki czemu zapewniono, że tylko kable SPE będą do niego pasować.

SPE dla zakładów i budynków

Jednoparowy Ethernet jest również odpowiedni do zastosowania w środowiskach biurowych, gdzie lżejsze kable o mniejszej średnicy są łatwiejsze do poprowadzenia. W zakładach przemysłowych można też mieszać rozwiązania przemysłowe z IP67 z mniej wymagającymi budynkowymi przy użyciu tej samej sieci SPE i kabli. W aplikacjach, które zwykle wymagają zapewnienia ochrony na poziomie IP20, odpowiednim rozwiązaniem połączeniowym jest gniazdo modułowe Phoenix Contact 1163797 SPE, z zaciskiem blokującym zapobiegającym przypadkowemu rozłączeniu (rys. 2).

 

Rys. 2. Modułowe gniazdo SPE 1163797 firmy Phoenix Contact jest kompatybilne ze wszystkimi aktualnymi standardami SPE. Jego obciążalność sięga 72 V przy 4 A

Wkładka M8-2 jest wyprofilowana (kodowana), aby zapobiec błędnym połączeniom. Pozłacane wtyki ze stopu miedzi utrzymują rezystancję styku na minimalnym poziomie, umożliwiając dostarczanie PoDL do 70 V przy 4 A. Mosiężna obudowa M8 jest niklowana, aby zapewnić dużą odporność na korozję.

Złącze 1163797 jest zgodne z wszystkimi specyfikacjami SPE: 802.3cg/bu/bw/ bp. Konstrukcja gwarantuje wytrzymałość na trudne warunki, z wieloma cyklami wkładania i wyjmowania (ponad 750), ma IP20 i zakres temperatur roboczych od –40 do +85°C przy wymiarach 5×8,35×14,2 mm. Złącze to może być lutowane do płytki drukowanej jako element THT.

Kable SPE do aplikacji IIoT

W przypadku krótkich połączeń SPE Phoenix Contact dostarcza kabel SPE 1183808 o długości 2 m z zamontowanymi złączami na obu końcach. Jest zgodny z PoDL do 72 V przy 4 A (rys. 3). Warto zauważyć, że konwencjonalny Ethernet ma część męską na końcach kabli, a żeńską w punktach końcowych. W SPE jest odwrotnie.

 

Rys. 3. Kabel Phoenix Contact 1183808 SPE ma 2 m długości i jest wyposażony w ochronną powłokę poliuretanową. Jest ekranowany przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i obsługuje szybkości transmisji danych do 1000 Mbit/s

Płaszcz kabla wykonany jest z poliuretanu, który jest odporny na światło ultrafioletowe, ścieranie i większość rozpuszczalników. Kable poliuretanowe są również odporne na kurczenie się i pękanie spowodowane ekspozycją na światło słoneczne i wodę, a także na narażenia powszechnie spotykane w środowiskach przemysłowych. Kabel jest chroniony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi przez ekran z cynowanej plecionki miedzianej, owiniętej dodatkowo folią aluminiową pokrytą tworzywem sztucznym. Dzięki temu nadaje się do środowisk o wysokim poziomie zakłóceń.

Styki w gniazdach są wykonane ze stopu miedzi i obsługują transmisję danych 10 Mbit/s zgodną ze standardem 802.3cg, a także prędkość 100 Mbit/s 802.3bw. Najwyższa osiągalna szybkość transmisji to 802.3bp 1000 Mbits/s, dzięki czemu jest on odpowiedni nie tylko dla czujników, ale także dla kamer monitoringu wideo HD. Chociaż płaszcz kabla jest odporny na wodę i kurz, a także na ogień zgodnie z UL94V0, jest specyfikowany jako IP20 ze względu na typ użytych złączy.

Każde złącze ma zacisk blokujący, zapobiegający przypadkowemu rozłączeniu. Kabel jest przystosowany do pracy w zakresie temperatur od –40 do +85°C oraz pozwala na 750 cykli wkładania i wyjmowania. Nadaje się do użytku na zewnątrz w panelach krosujących, a także do realizacji połączeń między czujnikami IIoT i skrzynkami połączeniowymi SPE.

Do zastosowań wymagających dłuższych elementów Phoenix Contact oferuje kabel SPE 1183811 o długości 5 m, który ma taką samą specyfikację jak 1183808.

Podsumowanie

Przejście na jednoparowy Ethernet w aplikacjach takich jak przemysłowy IoT, motoryzacja i automatyka budynkowa ułatwia tworzenie rozwiązań komunikacyjnych o dużej szybkości, które są jednocześnie lżejsze, tańsze oraz mniejsze i łatwiejsze w użyciu. Zalety te są możliwe do uzyskania wyłącznie przy wykorzystaniu odpowiednich złączy, aby zapewnić niezawodną komunikację w środowiskach fizycznie trudnych i przy obecności zakłóceń. Jak pokazano w artykule, dostępne są warianty połączeniowe, pozwalają na szybką komunikację przy dużej odporności na narażenia i dostarczanie zasilania bez konieczności prowadzenia dodatkowego okablowania.

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/