Sådan bruger du Single Pair Ethernet til at spare plads og vægt og samtidig forbedre den industrielle IoT-ydeevne

Ethernet er den mest populære standard for kablede netværk til IIoT-netværk (Industrial Internet of Things), der giver en solid ydeevne og dokumenteret pålidelighed. Desuden reducerer Power over Ethernet (PoE) kabler ved at levere strøm til sensorer og IIoT-slutpunkter via det samme Ethernet-kabel. Ethernet er også blevet en standard i personbiler og erstatter i mange tilfælde den serielle CAN-protokol (Controller Area Network). Dette giver mærkbare fordele for autonom kørsel og avancerede førerassistentsystemer (ADAS) på grund af Ethernet's pålidelighed og høje datahastighed.

I store IIoT-netværk kan Ethernet-kabelbundter imidlertid blive så store, tunge og besværlige, at kabelbundterne kan blive til hindringer, der tynger udstyret og kræver ekstra forstærkning. Dette er især problematisk for bilapplikationer, hvor den ekstra vægt og plads reducerer kapaciteten og kilometertallet. I industrielle transportanvendelser som f.eks. lastbiler, passager- og godstog og fly kan kablernes ekstra størrelse og vægt være så stor, at der skal kompenseres for den i systemdesignet, hvilket øger omkostningerne og forsinker opsætningstiden.

For at løse disse problemer har producenterne introduceret SPE-stik og kabler (single pair Ethernet), som også understøtter PoDL (Power over data lines). SPE giver højhastighedsdatatransmission samt strøm via kun et par snoede parledere. I denne artikel forklares fordelene ved SPE til industrielle og transportmæssige anvendelser. Derefter vil to SPE-stik fra Phoenix Contact samt to SPE-kabler, der er velegnede til SPE-applikationer, blive gennemgået.

SPE kontra konventionelt Ethernet

Ethernet er den mest populære standard for kablede netværk til kommercielle og industrielle lokale netværk (LAN). De mest udbredte versioner er 10/100Base-T Ethernet, som bruger to par snoet ledninger til at overføre data, og Gigabit Ethernet, som bruger fire par snoet ledninger. Efterhånden som industrielle automatiseringssystemer kræver højere hastigheder, er Gigabit Ethernet med PoE blevet mere populært til at forbinde computere med sensorer. Almindeligvis anvendes 24 AWG kobbertråd til de snoede par. Disse otte ledninger er normalt indkapslet i et CAT5e-kabel af industriel kvalitet, der er dækket af skumtape og en folieafskærmning. I et stort industrianlæg kan man se hundredvis af disse kabler ført rundt i hele bygningen. Disse kabelbundter kan blive tunge, og i stedet for at føre dem hen over gulvet, hvor nogen kan snuble over dem, er de samlet i seler, der er fastgjort til vægge og udstyr. Disse bundter kan veje 50 pund (lb) eller mere, og hvis der ikke tages højde for den ekstra vægt af ekstra kabler, kan de spænde eller bryde kabelstøttesystemet eller endda vælte udstyret.

Desuden har konventionelle Ethernet-kabler en længdegrænse på 100 meter (m). I større industrianlæg og til bygningsautomatiseringssystemer skal der nogle gange bruges repeatere til at forlænge Ethernet-kabler for at nå frem til fjernsensorer. Dette øger systemets kompleksitet og indfører endnu et punkt for vedligeholdelse. Med den ekstra tid og de ekstra omkostninger, der er forbundet med at føre disse tykke og tunge kabler, er det klart, at der er behov for en alternativ kabelføringsmetode.

SPE leverer tovejs data og overfører strøm ved hjælp af et parsnoet kabel. Den understøtter kabellængder på op til 1000 m, hvilket udvider rækkevidden til sensorer i netværk uden brug af repeatere. Dette reducerer vægten betydeligt og letter installationen ved at forenkle layoutet, hvilket giver maksimal strømeffektivitet, et mindre fodaftryk og lavere installations- og vedligeholdelsesomkostninger sammenlignet med konventionelt Ethernet. Mens industrielle systemer kan bruge afskærmede kapper for at forhindre kabelbundter i at interferere med hinanden, understøttes også lette uafskærmede kabler uden afskærmning. Dette er en fordel i bilapplikationer, da det giver mulighed for lette kabler, der lettere kan føres på steder med begrænset plads, f.eks. under sæder og under trinbrætter. Med de kombinerede fordele ved et mindre og lettere kabel og ved at levere højhastighedsdata sammen med strømforsyning i et enkelt omkostningseffektivt par ledninger forventes SPE at blive en populær, hvis ikke dominerende, industriel kommunikationsstandard.

Grundlæggende om SPE

Den formelle IEEE-specifikation for 10 megabit pr. sekund (Mbit/s) SPE er 802.3cg. Den understøtter fuld duplex datakommunikation op til 1000 m.

IEEE 802.3bw understøtter fuld duplex datakommunikation på op til 100 Mbits/s for kabler på op til 50 m. Den er rettet mod højhastighedssensorer i industrielle applikationer og visse bilapplikationer.

IEEE 802.3bp understøtter fuld duplex-datakommunikation med op til 1000 Mbits/s ved en kabellængde på op til 15 m. Med denne kabellængde kan det anvendes til visse industrielle sensoranvendelser, men er især velegnet til video i høj opløsning samt til små fly og kommercielle bilapplikationer, hvor der skal overføres højhastighedssensordata over en relativt lille afstand.

I øjeblikket understøtter IEEE 802.3ch op til 10 gigabit pr. sekund (Gbps) med en kabellængde på op til 15 m. Den svarer til 802.3bp, men omfatter det fysiske lag (PHY). Dette er primært fokuseret på kommercielle bilapplikationer og industrielle transportanvendelser, hvor høje datahastigheder, mindre kabeldiameter og især lavere vægt er meget vigtige overvejelser i forbindelse med systemdesign.

SPE med PoDL leverer strøm til Ethernet-sensoren eller slutpunktet via det samme parsnoede kabel, hvor strømforsyningsmængden bestemmes af kabellængden og trådtykkelsen. Ved en maksimal længde på 1000 m med 14 AWG-tråd tillader IEEE-specifikationen 60 volt og 13,53 watt strøm ved slutpunktet.

Industriel SPE-hardware

Industrielle SPE-forbindelser anvender ikke RJ45-stik, men i stedet den nye IEC 63171 T1-stikstandard. Phoenix Contact leverer en familie af SPE-stik og kabler, der er målrettet industrielle applikationer.

Til industrielle SPE-applikationer, der kræver IP67-rousthed, tilbyder Phoenix Contact en ægte M8-tilslutning ved hjælp af 1163793 SPE M8-2 indsats 1163793 SPE M8-2 med 1412502 M8-skal 1412502 (Figur 1). Kombinationen af skallen og indsatsen giver IP67-beskyttelse, som er velegnet til barske industrielle miljøer. Den lette enhed er også velegnet til luftfart og transportsystemer.

Figur 1: Phoenix Contact 1163793 M8-2 indsats (til venstre) og 1412502 M8-skal (til højre) giver en ægte SPE M8-løsning med IP67-beskyttelse, når de er monteret. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Stiksamlingen kan levere PoDL op til 72 volt ved 4 ampere (A) og er klassificeret til temperaturer fra -40 °C til +85 °C, hvilket gør den velegnet til strømforsyning af IIoT-slutpunkter og sensorknudepunkter i udendørs miljøer. Det populære M8-stikformat gør det nemt for systemproducenter at ombygge eksisterende sensorer og udstyr med M8-stik til SPE. SPE-stiksamlingen anvender et standard SPE M8-2-stikmønster med D-kodning for at sikre, at kun SPE-kabler indsættes i stiksamlingen.

Enterprise SPE-hardware

SPE er også velegnet i virksomhedssystemer, herunder i kontormiljøer, hvor de lettere kabler med mindre diameter er lettere at bygge og føre. IP67-industrielle applikationer kan nemt interagere med disse virksomhedssystemer ved hjælp af det samme SPE-netværk. Til virksomhedsapplikationer, der typisk kræver IP20-beskyttelse, er en passende løsning Phoenix Contact 1163797 SPE modulært jackstik, et gennemhulloddet IEC 63171-stikstik med en låseclips, der sikrer en solid kabelforbindelse (Figur 2).

Figur 2: Phoenix Contact 1163797 modulært SPE-stik er kompatibelt med alle nuværende SPE-standarder. Den er beregnet til at levere op til 72 volt ved 4 A. (Billedkilde: Phoenix Contact)

M8-2 indsatsen er nøglefast for at forhindre fejltilslutninger. Stikket har to guldbelagte stik i kobberlegering, der holder kontaktmodstanden på et minimum, så det kan levere PoDL op til 70 volt ved 4 A. M8-kappen er af messing med nikkelbelægning for at give korrosionsbestandighed.

1163797 understøtter alle aktuelle SPE-stikspecifikationer for 802.3cg/bu/bw/bp. Den er bygget til at kunne modstå barske miljøer, med indsætnings- og udtrækningscyklusser på mere end 750, er klassificeret til IP20, har et driftstemperaturområde på -40 °C til +85 °C og måler 5 x 8,35 x 14,2 mm. Dette gør den velegnet til loddemontering på single board-computere (SBC'er) og programmerbare logikcontrollere (PLC'er), hvor kabler lejlighedsvis udskiftes. Eksempler på scenarier, hvor dette er nyttigt, omfatter produktionsfaciliteter, der kan være nødt til at blive omkonfigureret til forskellige produktsamlinger.

SPE-kabler til IIoT

Til korte SPE-forbindelser leverer Phoenix Contact 1183808 et 2 m SPE-kabel på 2 m. Dette kabel understøtter PoDL op til 72 volt ved 4 A og har to SPE-bøsninger ved hver kabelterminering (figur 3). Mens konventionelt Ethernet har jackstik i kabelenderne og stikdåser i endepunkterne, er SPE-hardwaren omvendt.

Kabelkappen er fremstillet af polyurethan, som er modstandsdygtig over for ultraviolet (UV) lys, slid og de fleste opløsningsmidler. Polyurethankabler er også modstandsdygtige over for krympning og revner forårsaget af udsættelse for sollys og vand samt misbrug, der ofte forekommer i industrielle miljøer. Kablet er beskyttet mod elektromagnetisk interferens (EM) af en fortinnet, kobberflettet afskærmning, der er pakket ind i plastbelagt aluminiumsfolie. Dette gør det velegnet til elektrisk støjende miljøer, især når det er kombineret med andre højhastighedskabler.

Figur 3: Phoenix Contact 1183808 SPE-kablet er 2 m langt og har en beskyttende polyurethankappe. Den er afskærmet mod EMI og understøtter datahastigheder på op til 1000 Mbits/s. (Billedkilde: Phoenix Contact)

Kabelkontakterne er af kobberlegering og understøtter 802.3cg-kompatibel 10 Mbit/s datatransmission samt 100 Mbit/s 802.3bw-hastigheder. Den højeste transmissionshastighed er 802.3bp 1000 Mbits/s, hvilket gør den velegnet ikke kun til sensorer, men også til HD-videoovervågningsudstyr.

Mens kabelkappen er immun over for vand og støv og er brandsikker i henhold til UL94V0, er kabelsamlingen klassificeret IP20 på grund af kabeltermineringsstikkene. Hvert stik har en låseclips, der sikrer en sikker forbindelse mellem kablet og jackstikets endepunkt. Denne låsemekanisme er en del af SPE-stikstandarden for at forhindre utilsigtet fjernelse i travle miljøer. Kablet er beregnet til drift ved -40 °C til +85 °C og op til 750 indstiks- og udtagningscyklusser. Den er velegnet til indendørs brug med patchpaneler samt til forbindelser mellem IIoT-sensorer og SPE-koblingsdåser.

For applikationer, der kræver et længere kabel, tilbyder Phoenix Contact 1183811 5 m SPE-kabel, som har de samme specifikationer som 1183808.

Konklusion

Overgangen til SPE i applikationer som IIoT, bilindustrien og virksomheder hjælper designere med at opfylde behovet for højhastighedsforbindelser, der er lettere, mindre og nemmere at bruge, samtidig med at omkostningerne reduceres. Designere skal dog være omhyggelige med at vælge de stik og kabler, de bruger, når de implementerer SPE-baserede netværk for at sikre pålidelig forbindelse i fysisk hårde og elektrisk støjende miljøer.

Som vist er der stikvariationer til rådighed, som gør det muligt for IP20-klassificerede virksomhedssystemer at forbinde IP67-industrielle styresystemer med ægte M8 SPE-stik, hvilket giver problemfri tilslutning og strømforsyning i begge miljøer. Med den tilføjede mulighed for PoDL gør SPE-forbindelse det nemt at levere både strøm og data til IIoT-slutpunkter i både virksomheds- og industrimiljøer uden ekstra ledninger, hvilket i høj grad forenkler og strømliner implementeringer.