Single Pair Ethernet (SPE). Kluczowa technologia w cyfryzacji naszego świata

Single Pair Ethernet (SPE). Kluczowa technologia w cyfryzacji naszego świata

Cyfryzacja postępuje w wielu branżach, a Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT) stale się rozwija. W rezultacie rośnie liczba urządzeń komunikacyjnych i związane z tym zapotrzebowanie na bezproblemową i coraz szybszą komunikację. Ethernet od dawna sprawdza się w inteligentnym łączeniu urządzeń w różnych obszarach zastosowań. W przyszłości Single Pair Ethernet nie będzie już tylko rozszerzeniem szeregowych protokołów komunikacyjnych Fieldbus, ale całkowicie je zastąpi. Charakterystyka SPE sprawia, że technologia ta jest innowacyjna w szerokim zakresie aplikacji, a tym samym stanowi prawdziwą wartość dodaną z punktu widzenia najnowocześniejszych infrastruktur komunikacyjnych. Phoenix Contact ma obszerne doświadczenie w wielu branżach i portfolio produktów idealne do wdrożenia Ethernetu jednoparowego w szerokim zakresie zastosowań.

Rozwiązania Ethernet tradycyjnie stosowane w różnych obszarach wymagają zwykle dwóch par przewodów, ale w przypadku Gigabit Ethernet i zwiększonej szybkości transmisji danych mogą potrzebować nawet czterech par. Ethernet jednoparowy (fotografia 1) działa tylko z pojedynczą parą przewodów i umożliwia jednoczesną transmisję danych oraz energii.

Fotografia 1. Phoenix Contact oferuje złącza IP20 zgodne z IEC 63171-2, a także złącza IP67 w konstrukcji M8 i M12 zgodne z IEC 63171-5. Ponadto obecnie trwają prace nad złączami hybrydowymi M12 do Ethernetu jednoparowego zgodnymi z IEC 63171-7

Prędkości transmisji osiągane przez tę technologię – od 10 Mb/s przy maksymalnej odległości transmisji wynoszącej 1000 metrów, do 1 Gb/s przy maksymalnej odległości transmisji wynoszącej 40 metrów – okazują się wystarczające do realizacji nawet najbardziej wymagających zadań, takich jak aplikacje intensywnie korzystające z czujników sieciowych ze skanerami lub kamerami (fotografia 2). Ethernet jednoparowy okazuje się zatem odpowiedni do stosowania w wielu dziedzinach, które wcześniej zmagały się z ograniczeniami pod względem szybkości transmisji danych, zasięgu i płynności komunikacji.

Fotografia 2. Automatyka budynkowa: SPE idealnie nadaje się do łączenia i przekazywania danych generowanych przez wiele instalacji budynkowych

Połączenia do 1000 metrów, prędkości do 1 Gb/s

Jednym z kluczowych ograniczeń standardowych rozwiązań Ethernet jest maksymalna odległość 100 metrów przy połączeniach punkt-punkt. Aby pokonać większe odległości w systemach przemysłowych, na przykład na liniach produkcyjnych czy przenośnikach taśmowych, wcześniej trzeba było instalować dodatkowe repeatery lub przełączniki – czyli interfejsy podatne na awarie, które wymagają konserwacji. Technologia SPE umożliwia podłączenie różnych urządzeń na odległość do 1000 metrów z prędkością transmisji 10 Mb/s za pomocą tylko jednego kabla, a także opcjonalne zastosowanie technologii Power over Data Line (PoDL). Oznacza to, że rozwiązania SPE będą mogły w przyszłości zastąpić określone technologie magistral obiektowych.

Złożone topologie sieciowe z bramami do łączenia różnych systemów mogą być spójnie konfigurowane przy użyciu Single Pair Ethernet i obsługiwane za pomocą jednolitych usług Ethernet. Dzięki prędkości transmisji od 10 Mb/s do 1 Gb/s SPE może spełnić wymagania szerokiej gamy aplikacji. Co więcej, konsorcja IEEE 802.3 dyskutują obecnie nad kolejnymi standardami SPE przy wyższych prędkościach transmisji danych: 10 Gb/s i szybszych na krótkich odległościach (<15 metrów) – oraz 100 Mb/s lub 1 Gb/s przy odległościach do 500 metrów. Te nowe standardy (rysunek 1) otworzą spektrum SPE na jeszcze więcej obszarów zastosowań.

Rysunek 1. Standardy Ethernetu jednoparowego

Koszty automatyzacji, oszczędność miejsca i wysoka wydajność

Przeciętna fabryka generuje obecnie około jednego terabajta danych dziennie, a parametr ten stale rośnie. Niezbędna do skutecznej oceny tych danych okazuje się ciągła komunikacja. SPE może zapewnić spójne połączenie sieciowe – od czujnika aż do chmury, w której przechowywane są dane. Ponadto, w świetle rosnącej liczby czujników i inteligentnych urządzeń końcowych używanych w zastosowaniach przemysłowych, SPE oferuje idealne rozwiązanie okablowania – jest proste, bezpieczne, kompaktowe i opłacalne. Podczas tworzenia infrastruktury połączenia SPE staną się w przyszłości znacznie tańsze niż kombinacje komponentów magistrali i ethernetowych urządzeń sieciowych, które obecnie są powszechnie stosowane.

SPE oferuje wiele korzyści wszędzie tam, gdzie stosowane są roboty autonomiczne i współpracujące. Dzięki szybkości transmisji danych wyższej niż w przypadku konwencjonalnych systemów Fieldbus SPE umożliwia robotom i jednostce sterującej komunikowanie się ze sobą z wyższą częstotliwością próbkowania i większym transferem danych. Do tego dochodzi uproszczone okablowanie, z danymi i zasilaniem w jednej linii. Aby spełnić wymagania dotyczące wydajności, które w przyszłości mogą wykraczać poza zdefiniowane standardy PoDL (rysunek 2), udostępnione zostaną hybrydowe rozwiązania SPE, które w jednym złączu zawierają zarówno styki danych, jak i zasilania. Zmniejszenie liczby kabli i połączeń skutkuje obniżeniem ryzyka błędów, szybszym rozwiązywaniem problemów i łatwiejszym serwisowaniem. To wszystko przekłada się na znacząco niższe koszty instalacji.

Rysunek 2. Klasy mocy PoDL

Bezpieczeństwo i wydajność: Technologia APL oparta na SPE

Advanced Physical Layer (APL) jest oddzielnym standardem SPE przeznaczonym do bardzo wrażliwych obszarów automatyki. Jest to idealne rozwiązanie do przemysłu procesowego, ponieważ pozwala sprostać wysokim wymaganiom dotyczącym transmisji danych i zasilania, nawet w obszarach chronionych przed wybuchem (strefy 0, 1 i 2). APL korzysta ze standardu 10BASE-T1L z IEEE 802.3cg wraz z IEC TS 60079-47, 2021-03 (2-WISE) (2-WISE = 2-przewodowym iskrobezpiecznym Ethernetem), a tym samym implementuje metody ochrony przeciwwybuchowej, m.in. iskrobezpieczeństwo. Wśród innych korzyści należy wspomnieć fakt, że technologia ta umożliwia połączenia na dużych odległościach (długość magistrali do 1000 metrów, rozgałęzienia do 200 m), interoperacyjność urządzeń i systemów różnych producentów oraz pozyskiwanie wraz z analizą dużych ilości dodatkowych danych na potrzeby np. konserwacji. W szczególności sektorowi naftowemu, gazowemu i chemicznemu APL dostarcza nowe rozwiązania zwiększające wydajność sieci – a także podnoszące opłacalność modernizacji systemów z integracją istniejącego okablowania i protokołów Ethernet, takich jak EtherNet/IP™, HART-IP, OPC UA i PROFINET.

Istnieje wiele obszarów, w których sieci oparte na protokole IP z SPE mogą być użytecznymi dodatkami lub rozwiązaniami zastępczymi – są to wszystkie aplikacje wymagające spójnej komunikacji opartej na protokole IP na duże odległości i na ograniczonej przestrzeni. Phoenix Contact rozpoczął pracę nad potencjałem Single Pair Ethernet bardzo wcześnie. Dlatego nasi eksperci mają ogromne doświadczenie w zakresie potencjalnych zastosowań oraz wymagań SPE – i są w stanie zapewnić kompleksowe rozwiązania dostosowane do potrzeb odbiorcy. Możliwości tej kluczowej technologii okazują się ogromne i umożliwiają postęp w dziedzinie cyfryzacji. Phoenix Contact dysponuje wiedzą oraz odpowiednimi narzędziami, niezbędnymi do realizacji i integracji Ethernetu jednoparowego w szerokim zakresie dziedzin, aby sprostać wyzwaniom przyszłości.

Paweł Zientarski
Menedżer Obszaru Biznesu – złącza i obudowy do elektroniki, rynek dystrybucji
pzientarski@phoenixcontact.pl
tel. 694 485 087

Więcej informacji: www.phoenixcontact.com
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
maj 2024

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik maj 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje kwiecień 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna maj 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów