Ethernet jednoparowy - podstawowe informacje

Ethernet jest współcześnie najpopularniejszym przewodowym standardem komunikacyjnym dla aplikacji Przemysłowego Internetu Rzeczy, zapewniającym wysoką wydajność oraz niezawodność połączenia. Standard ten oferuje ponadto możliwość transmisji sygnału zasilania (PoE, Power over Ethernet), co istotnie ogranicza liczbę, masę oraz koszt przewodów połączeniowych niezbędnych do uruchomienia systemu. Ethernet zyskuje również na popularności w branży motoryzacyjnej – w wielu współczesnych rozwiązaniach zastępuje on standard CAN, przez długi czas stanowiący podstawowy protokół wymiany danych pomiędzy poszczególnymi komponentami pojazdu. Ethernet pozwala na transfer większej ilości danych, niezbędny do realizacji wielu funkcjonalności związanych z rosnącą autonomicznością pojazdów.

 

Rys. 1. Przykładowe złącza kompatybilne ze standardem SPE

Do realizacji połączenia pomiędzy dwoma elementami w klasycznym standardzie Ethernet konieczne było zastosowanie czterech lub dwóch par przewodów. W niektórych rozwiązaniach, jak wspomniane już sieci przemysłowe oraz pojazdy, duża liczba elementów w systemie prowadziła do istotnego wzrostu liczby oraz masy przewodów połączeniowych. Problem ten stawał się bardzo poważny – przewody zajmują sporo miejsca (będącego często bardzo cennym zasobem), generują koszty podczas montażu oraz późniejszego utrzymania systemu. Dodatkowa masa przewodów istotnie wpływa na parametry pracy urządzeń, szczególnie w przypadku pojazdów, takich jak samochody, samoloty czy pociągi.

Problemy związane z rosnącą liczbą oraz masą przewodów połączeniowych były (i wciąż są) na tyle istotne, że zdecydowano się na opracowanie wersji standardu Ethernet korzystającej tylko z jednej pary przewodów. Ethernet jednoparowy (SPE, Single Pair Ethernet) pozwala na transmisję danych z szybkością do 1 Gbit/s, zapewniając jednocześnie dostarczenie do 50 W zasilania (technologia PoDL – Power over Data Lines) – to wszystko wymaga zaś tylko jednej pary przewodów.

SPE a konwencjonalny Ethernet

Jak już wspomniano, Ethernet jest obecnie najpopularniejszym standardem komunikacyjnym dla przemysłowych oraz biurowych sieci typu LAN. Standard ten ma kilka różnych wersji. Do najczęściej używanych zaliczyć można 10/100Base-T Ethernet, który korzysta z dwóch par przewodów do transmisji danych, a także Gigabit Ethernet korzystający z czterech par przewodów. Wraz z postępem technologicznym sieci automatyki przemysłowej wymagają coraz większych prędkości przesyłu danych, zatem coraz częściej korzystają z Ethernetu w wersji gigabitowej. Powszechnie korzysta się również z możliwości zasilania urządzeń poprzez linie Ethernet, co zapewnia tzw. technologia PoE. Zestaw Gigabit Ethernet + PoE sprawdza się szczególnie dobrze w przypadku konstruowania sieci przemysłowych integrujących wiele różnego typu czujników.

 

Rys. 2. Porównanie kabla klasycznego standardu Ethernet (4 pary przewodów) oraz SPE (1 przewód)

Przewody ethernetowe wykonane są zazwyczaj z drutu miedzianego o średnicy 24 AWG (ok. 0,51 mm). Wszystkie osiem przewodów (w przypadku wersji Gigabit Ethernet) umieszcza się wewnątrz kabla kategorii CAT5e, dodatkowo ekranowanego. W dużych obiektach przemysłowych zauważyć można kilometry tego typu kabli porozmieszczane niemal wszędzie. Biegną one zazwyczaj wzdłuż ścian i sufitów, aby w możliwie jak najmniejszym stopniu zakłócać przebieg ciągów komunikacyjnych, jednocześnie zaś zminimalizować ryzyko ich przerwania lub uszkodzenia.

Masa tych przewodów wynosić może setki kilogramów, zatem wprowadzane przez nie obciążenie musi być uwzględniane przy obliczeniach wytrzymałości struktur budynków oraz urządzeń. Nadmierne obciążenie przewodami prowadzić może do powstawania uszkodzeń, zarówno elementów konstrukcyjnych budynków, jak i połączonych nimi urządzeń.

Konwencjonalne przewody ethernetowe mają ograniczony zasięg – umożliwiają realizację bezpośredniego połączenia na dystansie do 100 m. W przypadku dłuższych linii konieczne jest stosowanie dodatkowych urządzeń wzmacniających sygnał. Zwiększa to stopień złożoności oraz koszt konstrukcji i utrzymania całego systemu.

SPE pozwala na dwukierunkowy transfer danych oraz dystrybucję zasilania za pomocą jednej pary przewodów. Maksymalny zasięg połączenia to 1000 m, co umożliwia komunikację z oddalonymi urządzeniami, np. czujnikami umieszczonymi w różnych częściach hali produkcyjnej, bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń wzmacniających. To wszystko wpływa na znaczącą redukcję wagi okablowania, ułatwia proces instalacji systemu, a także zmniejsza koszt jego konstrukcji i późniejszego utrzymania. Zalety te powodują, że standard SPE coraz powszechniej wykorzystywany jest w rozwiązaniach przemysłowych oraz motoryzacyjnych.

Specyfikacje standardu

Oficjalna specyfikacja SPE w wersji dla prędkości do 10 Mbit/s określona jest w dokumencie IEEE 802.3cg. Wersja ta pozwala na wymianę danych na dystansie do 1000 metrów.

Dokument IEEE 802.3bw opisuje wersję pozwalającą na transfer danych z prędkością do 100 Mbit/s na dystansie do 50 m. Wersja ta znajduje zastosowanie szczególnie w branży motoryzacyjnej oraz w przypadku konieczności komunikacji z czujnikami wymagającymi większych przepustowości łącza.

W dokumencie IEEE 802.3bp opisano wersję SPE pozwalającą na transmisję danych z prędkością do 1000 Mbit/s na dystansie do 15 m. Tak krótki dystans sprawdza się w przypadku niektórych systemów przemysłowych, standard ten znajduje jednak szczególne zastosowanie w przypadku konieczności transmisji obrazu z kamer wysokiej rozdzielczości, a także w różnego typu pojazdach.

Standard IEEE 802.3ch opisuje wersję SPE pozwalającą na transfer z prędkością do 10 Gbit/s na dystansie do 15 m. Jest bardzo podobny do wersji IEEE 802.3bp, zawiera jednak dodatkowo opis warstwy fizycznej.

Możliwość zasilania urządzeń końcowych poprzez interfejs SPE (technologia PoDL) opisana została w publikacji IEEE 802.3bu, wydanej w 2016 roku. Zdefiniowano tam 9 klas urządzeń końcowych, różniących się maksymalną mocą zasilania – wartości dostępnych parametrów zasilania dla poszczególnych klas przedstawiono w tabeli 1. W przypadku urządzeń kasy 9, najwyższej, możliwe jest uzyskanie do 50 W. W 2020 roku wydano nową wersję standardu, IEEE 802.3cg, która wprowadza 6 dodatkowych klas urządzeń końcowych i nieznacznie zwiększa dostępną moc maksymalną do 52 W.

 

Rys. 3. Porównanie poszczególnych wersji standardu Ethernet

Złącza SPE

W przypadku sieci przemysłowych opartych na standardzie SPE nie stosuje się złączy typu RJ45 (powszechnie wykorzystywanych m.in. w sieciach biurowych lub w gniazdach komputerów). Wymagania odnośnie do złącza dla interfejsu SPE w aplikacjach przemysłowych opisane są w standardzie IEC 63171. Do standardu wprowadzono sześć różnych propozycji obudów. Różnią się one parametrami takimi jak maksymalna szybkość transmisji danych, poziom przesyłanej mocy, a także kompatybilnością z różnymi typami przewodów. Rodzaje złączy zawarte w standardzie przedstawiono w tabeli 2.

Zastosowanie

Jak już wspomniano, standard SPE jest jednym z fundamentów technologii Przemysłowego Internetu Rzeczy i może znaleźć zastosowanie we wszystkich systemach, dla których konieczne jest połączenie ze sobą dużej liczby rozproszonych elementów. Do najbardziej typowych obszarów stosowania technologii SPE zaliczyć można: systemy przemysłowe, systemy automatycznej obsługi budynków, pojazdy (w tym pojazdy elektryczne), rozległe systemy sterowania (inteligentny budynek, inteligentne miasto), handel, a także usługi publiczne (systemy transportu publicznego, biletomaty).

 

Rys. 4. Schemat, w jaki sposób realizowane jest zasilanie przez kabel sieciowy przy jednej parze (PD – odbiornik zasilania, PSE – źródło energii, PHY – transceivery komunikacyjne)

Podsumowanie

Ethernet jednoparowy w porównaniu do klasycznego Ethernetu niesie ze sobą wiele zalet. Do najważniejszych z nich można zaliczyć:

• redukcję wagi przewodów połączeniowych przynajmniej o połowę, związaną z tym oszczędność przestrzeni oraz zasobów;
• kompatybilność z istniejącymi sieciami opartymi na standardzie Ethernet;
• aż do 10× większy zasięg pojedynczego połączenia;
• zdolność jednoczesnej transmisji danych oraz zasilania urządzenia dzięki technologii PoDL;
• szybszy montaż i instalację nowych sieci wynikający z mniejszej liczby połączeń.

Wraz z dalszym rozwojem i upowszechnianiem koncepcji Przemysłowego Internetu Rzeczy należy się spodziewać rosnącej popularności standardu SPE i stopniowego wypierania klasycznego Ethernetu w wybranych obszarach branży przemysłowej, automatyce oraz motoryzacji.

Damian Tomaszewski