Miten yksiparinen Ethernet säästää tilaa ja painoa sekä parantaa samalla teollisen IoT:n suorituskykyä?

Ethernet on IIoT-verkkojen (Industrial Internet of Things) suosituin langallinen verkkostandardi. Se tarjoaa vankan suorituskyvyn ja on osoittautunut luotettavaksi. Lisäksi Power over Ethernet (PoE) vähentää kaapelointia tarjoamalla antureille ja IIoT-päätepisteille virtaa saman Ethernet-kaapelin kautta. Ethernetistä on tullut standardi myös henkilöautoissa, ja se on monissa tapauksissa korvannut CAN-sarjaprotokollan (Controller Area Network). Ethernetin luotettavuuden ja korkean tiedonsiirtonopeuden ansiosta tämä tarjoaa huomattavia etuja autonomiselle ajamiselle ja kehittyneille kuljettajan apujärjestelmille (ADAS).

Suurissa IIoT-verkoissa Ethernet-kaapelinipuista voi kuitenkin tulla niin suuria, painavia ja hankalia, että kaapelinipuista voi tulla esteitä, jotka painavat laitteita ja vaativat laitteiden lisävahvistusta. Tämä on erityisen ongelmallista autosovelluksissa, joissa ylimääräinen paino ja tila vähentävät kapasiteettia ja ajokilometrejä. Teollisissa kuljetussovelluksissa, kuten kuorma-autoissa, matkustaja- ja tavarajunissa sekä lentokoneissa, kaapeleiden ylimääräinen koko ja paino voi olla niin suuri, että se on kompensoitava järjestelmäsuunnittelussa, mikä lisää kustannuksia ja hidastaa asennusaikoja.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi valmistajat ovat tuoneet markkinoille SPE-liittimiä ja -kaapeleita (Single Pair Ethernet), jotka tukevat myös PoDL-toimintoa (Power over Data Lines). SPE tarjoaa nopean tiedonsiirron ja virransyötön vain yhdellä kierretyllä johdinparilla. Tässä artikkelissa kerrotaan SPE:n eduista teollisuus- ja kuljetussovelluksissa. Tämän jälkeen artikkelissa keskustellaan kahdesta SPE-liittimestä yritykseltä Phoenix Contact samoin kuin kahdesta SPE-kaapelista, jotka sopivat SPE-sovelluksiin.

SPE verrattuna perinteiseen Ethernetiin

Ethernet on kaupallisten ja teollisten lähiverkkojen (LAN) suosituin langallinen verkkostandardi. Yleisimmin käytetyt versiot ovat 10/100Base-T Ethernet, joka käyttää tiedonsiirtoon kahta kierrettyä johdinparia ja Gigabit Ethernet, joka käyttää neljää kierrettyä johdinparia. Koska teollisuusautomaatiojärjestelmät vaativat nopeampia nopeuksia, Gigabitin Ethernet ja PoE ovat yleistyneet tietokoneiden ja antureiden yhdistämisessä. Kierretyissä pareissa käytetään tavallisesti 24 AWG:n kuparilankaa. Nämä kahdeksan johtoa on yleensä pakattu teollisuuskäyttöön tarkoitettuun CAT5e-kaapeliin, joka on päällystetty vaahtoteipillä ja metallikalvosuojauksella. Suuressa teollisuuslaitoksessa näitä kaapeleita voi olla satoja eri puolilla rakennusta. Nämä kaapeliniput voivat olla painavia, ja sen sijaan, että ne kulkisivat lattian poikki, jolloin joku voi kompastua niihin, ne niputetaan johtosarjoihin, jotka kiinnitetään seiniin ja laitteisiin. Nämä niput voivat painaa 20 kiloa tai enemmän, ja jos ylimääräisten kaapeleiden lisäpainoa ei oteta huomioon, ne voivat hajottaa ja rikkoa kaapelitukijärjestelmän tai jopa kaataa laitteet.

Lisäksi tavanomaisten Ethernet-kaapeleiden enimmäispituus on 100 metriä (m). Suuremmissa teollisuuslaitoksissa ja rakennusautomaatiojärjestelmissä joudutaan joskus käyttämään toistimia Ethernet-kaapeleiden kantaman pidentämiseksi ja yhteyden muodostamiseksi kauempana sijaitseviin antureihin. Tämä lisää järjestelmän monimutkaisuutta ja tuo mukanaan uuden huoltokohdan. Koska näiden paksujen ja painavien kaapeleiden reitittämiseen kuluu ylimääräistä aikaa ja lisäkustannuksia, on selvää, että tarvitaan vaihtoehtoinen kaapelointimenetelmä.

SPE tarjoaa kaksisuuntaisen tiedonsiirron sekä siirtää virtaa yhdellä kierretyllä parikaapelilla. Se tukee jopa 1000 metrin pituisia kaapeleita, mikä pidentää verkotettujen antureiden käyttöä ilman toistimia. Tämä vähentää merkittävästi painoa ja helpottaa asennusta yksinkertaistamalla asettelua, tarjoamalla maksimaalisen energiatehokkuuden, pienemmän tilantarpeen sekä alhaisemmat asennus- ja ylläpitokustannukset perinteiseen Ethernetiin verrattuna. Teollisissa järjestelmissä voidaan käyttää suojattuja vaippoja, jotta kaapeliniput eivät häiritse toisiaan, mutta myös kevyitä suojaamattomia kaapeleita tuetaan. Tämä on etu autosovelluksissa, sillä sen ansiosta kaapelit ovat kevyitä ja ne voidaan asentaa helpommin ahtaisiin tiloihin, kuten istuinten alle ja astinlautojen alle. Pienemmän ja kevyemmän kaapelin sekä nopean tiedonsiirron ja virransyötön yhdistettyjen etujen ansiosta SPE:stä odotetaan tulevan suosittu, ellei jopa hallitseva, teollinen viestintästandardi.

SPE-perusteet

IEEE:n virallinen 10 megabitin sekuntinopeuden (Mbit/s) SPE-määrittely on 802.3cg. Se tukee täyttä kaksisuuntaista (dupleksi) tiedonsiirtoa jopa 1000 metrin etäisyydelle.

IEEE 802.3bw tukee täyttä dupleksitiedonsiirtoa jopa 100 Mbit/s:n nopeudella ja jopa 50 metrin pituisia kaapeleita. Se on suunnattu teollisuussovellusten ja joidenkin ajoneuvosovellusten suurnopeusantureille.

IEEE 802.3bp tukee täyttä dupleksitiedonsiirtoa jopa 1000 Mbit/s:n nopeudella ja jopa 15 metrin pituisia kaapeleita. Tällä kaapelipituudella se soveltuu joihinkin teollisuuden anturisovelluksiin, mutta se soveltuu erityisesti teräväpiirtovideoon sekä pieniin lentokoneisiin ja kaupallisiin autosovelluksiin, joissa suurnopeusanturien tiedot on siirrettävä suhteellisen lyhyen etäisyyden päähän.

Tällä hetkellä IEEE 802.3ch tukee jopa 10 gigabittiä sekunnissa (Gbps) enintään 15 metrin kaapelipituudella. Se on samanlainen kuin 802.3bp, mutta sisältää fyysisen kerroksen (PHY). Tämä keskittyy ensisijaisesti kaupallisiin auto- ja teollisiin kuljetussovelluksiin, joissa suuret tiedonsiirtonopeudet, pienemmät kaapelin halkaisijat ja erityisesti pienempi paino ovat erittäin tärkeitä järjestelmäsuunnitteluun liittyviä näkökohtia.

PoDL-tuella varustettu SPE syöttää Ethernet-anturille tai -päätepisteelle sähkövirtaa samaa kierrettyä paria pitkin, ja virran määrä määräytyy kaapelin pituuden ja johtimen paksuuden mukaan. Enimmäispituus on 1000 metriä käytettäessä 14 AWG-johtoa, jolloin IEEE-määrittely sallii 60 voltin ja 13,53 watin tehon päätepisteessä.

Teolliset SPE-laitteet

Teollisuuden SPE-liitännöissä ei käytetä RJ45-liittimiä vaan uutta IEC 63171 T1 -liitäntästandardia. Phoenix Contact tarjoaa tuoteperheen SPE-liittimiä ja -kaapeleita, jotka on tarkoitettu teollisuussovelluksiin.

IP67-robustisuutta vaativiin SPE-teollisuussovelluksiin Phoenix Contact tarjoaa todellisen M8-liitännän, jossa käytetään 1163793 SPE M8-2 -inserttiä sekä 1412502 M8 -kuorta (kuva 1). Kuoren ja insertin yhdistelmä tarjoaa IP67-suojauksen, joka soveltuu vaativiin teollisuusympäristöihin. Kevyt kokoonpano soveltuu myös ilmailu- ja kuljetusjärjestelmiin.

Kuva 1: Phoenix Contact 1163793 M8-2 -insertti (vasemmalla) ja 1412502 M8 -kuori (oikealla) tarjoavat kasattuina todellisen SPE M8 -ratkaisun IP67-suojauksella. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Liitinkokoonpano voi tarjota PoDL-jännitteen jopa 72 volttia 4 ampeerin (A) virralla ja se on luokitettu lämpötiloihin -40 °C ... +85 °C. Näiden ansiosta se sopii syöttämään virtaa IIoT-päätepisteisiin ja anturisolmuihin ulkotiloissa. Suositun M8-liitinmuodon ansiosta laitevalmistajien on helppo sovittaa nykyiset M8-liittimillä varustetut anturit ja laitteet SPE-standardia varten. SPE-liitäntäkokoonpanossa käytetään standardia SPE M8-2-liitäntäkuviota, jonka D-muoto varmistaa, että liitäntäkokoonpanoon voidaan kytkeä vain SPE-kaapeleita.

Yritysluokan SPE-laitteet

SPE soveltuu myös yritysjärjestelmiin, kuten toimistoympäristöihin, joissa kevyempiä ja halkaisijaltaan pienempiä kaapeleita on helpompi rakentaa ja reitittää. IP67-teollisuussovellukset voivat helposti toimia näiden yritysjärjestelmien kanssa samaa SPE-verkkoa käyttäen. Tyypillisesti IP20-suojausta vaativiin yrityssovelluksiin sopiva ratkaisu on Phoenix Contact 1163797 SPE -modulaarinen jakki, läpiasennettava juotettava IEC 63171 -jakki lukitusklipsillä, joka varmistaa luotettavan kaapeliyhteyden (kuva 2).

Kuva 2: Phoenix Contact 1163797 -modulaarinen SPE-jakki on yhteensopiva kaikkien nykyisten SPE-standardien kanssa. Sen luokitettu syöttämään jopa 72 volttia 4 A:n sähkövirralla. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

M8-2-insertin muoto estää virhekytkennät. Jakissa on kaksi kullattua kupariseoksesta valmistettua tappia, jotka pitävät kontaktiresistanssin mahdollisimman pienenä ja mahdollistavat jopa 70 voltin ja 4 A:n PoDL-toiminnon. M8-kuori on messinkiä, jossa on korroosiokestävyyttä parantava nikkelipinnoitus.

1163797 tukee kaikkia nykyisiä SPE-liitinspesifikaatioita 802.3cg/bu/bw/bp. Se on rakennettu kestämään vaativia ympäristöjä ja se kestää yli 750 asetus- ja poistosykliä. Sen suojausluokka on IP20, käyttölämpötila-alue -40 °C ... +85 °C ja sen mitat ovat 5 x 8,35 x 14,2 mm. Tämän vuoksi se soveltuu juotosasennukseen yhden piirilevyn tietokoneisiin (SBC) sekä ohjelmoitaviin logiikkaohjaimiin (PLC), joissa kaapeleita vaihdetaan satunnaisesti. Esimerkkitapauksia, joissa tämä osoittautuu hyödylliseksi, ovat tuotantolaitokset, joita voidaan joutua konfiguroimaan uudelleen eri tuotekokoonpanoja varten.

SPE-kaapelit IIoT-käyttöä varten

Lyhyitä SPE-yhteyksiä varten Phoenix Contact tarjoaa 2 m:n 1183808-SPE-kaapelin. Tämä kaapeli tarjoaa PoDL-tuen jopa 72 volttia sähkövirralla 4 A ja se tarjoaa kaksi SPE-naarasliitintä kaapelin kummassakin päässä (kuva 3). Perinteisessä Ethernetissä kaapelin päissä on jakit ja päätepisteissä naarasliittimet, kun taas SPE-laitteisto on päinvastainen.

Kaapelin vaippa on valmistettu polyuretaanista, joka kestää ultraviolettivaloa (UV), hankausta ja useimpia liuottimia. Polyuretaanikaapelit kestävät myös auringonvalolle ja vedelle altistumisen aiheuttamaa kutistumista ja halkeilua sekä teollisuusympäristöissä yleisesti esiintyvää kovaa käyttöä. Kaapeli on suojattu sähkömagneettisilta häiriöiltä (EM) tinatulla kuparipunossuojuksella, joka on peitetty muovipinnoitetulla alumiinifoliolla. Tämä tekee siitä sopivan sähköisesti meluisiin ympäristöihin, etenkin kun se niputetaan yhteen muiden nopeiden kaapeleiden kanssa.

Kuva 3: Phoenix Contact 1183808 SPE -kaapeli on 2 m pitkä ja se käyttää polyuretaanista suojakuorta. Se on EMI-suojattu ja tukee tiedonsiirtonopeuksia jopa 1000 Mbit/s. (Kuvan lähde: Phoenix Contact)

Kaapeliliitännän koskettimet ovat kupariseosta ja ne tukevat 802.3cg-yhteensopivaa 10 Mbit/s tiedonsiirtoa sekä 100 Mbit/s 802.3bw-nopeuksia. Suurin siirtonopeus on 802.3bp 1000 Mbit/s, joten se soveltuu antureiden lisäksi myös teräväpiirtovideota (HD) käyttäviin valvontalaitteisiin.

Vaikka kaapelin vaippa on immuuni vedelle ja pölylle sekä liekinkestävä UL94V0-vaatimusten mukaisesti, kaapelikokoonpanon suojausluokka on IP20 kaapelin päätyliittimien vuoksi. Kussakin liittimessä on lukitusklipsi, jolla kaapeli kiinnitettään luotettavasti jakin päätykappaleeseen. Tämä lukitusmekanismi on osa SPE-liittimen standardia, joka estää vahingossa tapahtuvan irrottamisen kiireisissä ympäristöissä. Kaapelin lämpötilaluokitus on -40 °C ... +85 °C ja se kestää jopa 750 asetus- ja poistosykliä. Se sopii käyttöön sisätiloissa kytkentäpaneelien kanssa samoin kuin liitäntöihin IIoT-anturien ja SPE-jakorasioiden välille.

Jos sovellus vaatii pidemmän kaapelin, Phoenix Contact tarjoaa 5 m:n 1183811-SPE-kaapelin, jonka spesifikaatiot ovat samat kuin 1183808-kaapelin.

Yhteenveto

Siirtyminen SPE-standardiin sellaisissa sovelluksissa kuten IIoT, autoteollisuus ja yritykset, auttaa suunnittelijoita vastaamaan nopeiden liitäntäratkaisujen tarpeeseen, kun ratkaisuiden on oltava kevyempiä, pienempiä ja helppokäyttöisempiä ja sekä samalla edullisempia. Suunnittelijoiden on kuitenkin oltava huolellisia liittimien ja kaapeleiden valinnassa, kun he ottavat käyttöön SPE-pohjaisia verkkoja. Näin varmistetaan luotettava yhteys fyysisesti vaativissa ja sähköisesti meluisissa ympäristöissä.

Kuten artikkelissa osoitetaan, saatavana on liitinvariantteja, joiden avulla IP20-luokitellut yritysjärjestelmät voidaan helposti liittää yhteen teollisuuden IP67-ohjausjärjestelmien kanssa käyttäen todellisia M8 SPE -liittimiä, jotka tarjoavat saumattoman liitettävyyden ja virransyötön molemmissa ympäristöissä. PoDL-tuen tarjoavat SPE-liitännät helpottavat sähkövirran ja datan välitystä IIoT-päätepisteille sekä yritys- että teollisuusympäristöissä ilman ylimääräisiä johtoja. Tämä yksinkertaistaa ja virtaviivaistaa käyttöönottoja huomattavasti.