Ethernet jednoparowy (Single Pair Ethernet – SPE) stanowi obietnicę transmisji danych już od czujnika, przez tylko dwa przewody Ethernet. Pozwoli to na tworzenie spójnej architektury komunikacyjnej od czujnika aż do chmury.

Ethernet jednoparowy to chwytliwa fraza z dziedziny infrastruktury sieciowej dla Przemysłowego Internetu Rzeczy (Industrial Internet of Things – IioT). Użytkownicy mają nadzieję, że pozwoli im zaimplementować spójną architekturę komunikacyjną we wszystkich zastosowaniach, w których występują dane. Nadzieja ta opiera się na koncepcji przedłużenia połączenia ethernetowego aż do poziomu czujnika, tj. wszędzie tam, gdzie brak jest szerokopasmowych połączeń, ale gdzie użytkownicy potrzebują kompaktowych urządzeń do transmisji danych, zapewniających duży zasięg.

Przemysłowe sieci Ethernet są wykorzystywane w aplikacjach przemysłowych i oferują szereg korzyści wynikających z transmisji w czasie rzeczywistym, jakie sieci te zapewniają. Technologia jest jednakże zbyt złożona, aby zastosować ją w prostych aplikacjach czujnikowych. “Na poziomie czujnika wciąż korzystamy z architektur magistrali (szyn). Chcemy obecnie stworzyć infrastrukturę komunikacyjną opartą na protokole IP, z jednolitym protokołem komunikacyjnym, rozciągającą się od czujnika do chmury” wyjaśnia Simon Seereiner, szef działu Product Management SAI & IE w firmie Weidmüller.

Dostosowywanie prędkości transmisji danych

Jest to możliwe dzięki Ethernetowi jednoprzewodowemu. Przede wszystkim, SPE nie wymaga dużych prędkości transmisji danych i może sięgać na duże odległości, przy jednoczesnym zachowaniu kompaktowych wymiarów urządzeń. Inaczej niż w przypadku Ethernetu kablowego, ta technologia łącznościowa wymaga jedynie jednej pary przewodów zamiast dwóch lub czterech par. Jest to możliwe dzięki rozwiązaniom opracowanym przez sektor motoryzacyjny, w którym oszczędność miejsca i wagi jest bardzo ważna. W tym sektorze konieczne jest posiadanie infrastruktury, która wymaga jak najmniejszej liczby przewodów, ale która jest w stanie zapewnić wysoką wydajność wymaganą z uwagi na coraz bardziej autonomiczny charakter prowadzenia pojazdów. “To powód, dla którego firmy konstruujące samochody zaczęły opracowywać protokół dla Ethernetu jednoprzewodowego we współpracy z IEEE Standards Aassociation już w roku 2012” wyjaśnia Seereiner.

Cyfryzacja oznacza, że te same kwestie stają się teraz istotne w sektorze przemysłowym: w miarę, jak coraz więcej czujników wymaga integrowania w maszynach i systemach, okablowanie musi być kompaktowe i zaprojektowane do użytku przemysłowego. Ethernet jednoparowy stanowi kluczową technologię, która umożliwi implementację aplikacji IoT w sektorach przemysłowych: prędkości transmisji 10 Mbits/s na odległość do 1000 m do 1 Gbit/s na odległość 40 m są zupełnie wystarczające nawet dla złożonych systemów czujnikowych. Ethernet zapewnia także możliwość ciągłej integracji w sieci skanerów i kamer monitorujących lub wykrywających rodzaj i położenie komponentów.

Transmisja danych i zasilanie w jednym

Technologia przesyłu energii Power over Data Line (PoDL) oznacza, że Ethernet jednoparowy może być także wykorzystany do zasilania podłączonych komponentów. Do interfejsu można dostarczyć do 60 W przy jednoczesnej transmisji danych z prędkością 100 Mbit/s. „Umożliwia to zasilanie czujnika i transmisję danych z użyciem tylko jednego kabla z dwoma przewodami. Cała instalacja jest jednocześnie mała i kompaktowa” wyjaśnia Seereiner. Dodatkowy kabel zasilający nie jest konieczny, co jest korzystne, gdy mamy do czynienia z ograniczoną przestrzenią.

Zasilanie i jednoczesna transmisja danych są określone w stosownych normach. W tym celu IEEE zdefiniowało klasyfikację dla różnych klas mocy. Ponieważ klasy 1-9 są już przypisane do technologii Power over Ethernet (PoE), klasy dla PoDL zaczynają się od klasy 10.

Asortyment produktów firmy Weidmüller już w tej chwili obejmuje dwa złącza wtykowe dla technologii Ethernetu jednoprzewodowego – jeden typ w klasie ochrony IP20 i jeden w klasie ochrony IP67. Oba typy należą do typoszeregu spełniającego normę IEC 63171, definiującą złącza wtykowe w technologii Ethernetu jednoprzewodowego.

Dzięki wytrzymałemu mechanizmowi blokującemu, podobnemu do tego ze złącza RJ45, potrzebnej do rozdzielenia złącza sile co najmniej 50 N oraz wytrzymałości dielektrycznej klasy przemysłowej wynoszącej 2,25 kV DC, nowe złącza wtykowe SPE mają idealne właściwości dla zastosowań przemysłowych. Wysoka gęstość oznacza, że w porównaniu do złączy wtykowych RJ-45 w środowisku IP20 możliwe jest zaoszczędzenie do 50% przestrzeni. Ponadto, złącza wtykowe SPE mogą być szybko i łatwo montowane na obiekcie i mogą być podłączane przy użyciu kabli z zakresu AWG 26 do AWG 22.

Firma Weidmüller jest pionierem w omawianym obszarze, ponieważ technologia ta ma przed sobą długą drogę w sektorze przemysłowym. Ten pionierski duch jest zakodowany w DNA firmy. Firma Weidmüller i jej wynalazki zawsze pomagały kształtować sektor połączeń elektrycznych i komunikacji między urządzeniami, dlatego firma włączyła się w rozwój Przemysłu 4.0 i digitalizacji na bardzo wczesnym etapie. Cyfrowa transformacja jest oparta na IIoT, który pozwala na ciągłą wymianę danych pomiędzy wszystkimi komponentami i urządzeniami. Firma Weidmüller jest więc świadoma kierunku zmian już od jakiegoś czasu i rozumie także, jak można wykorzystać przemysłowe systemy łączności do kształtowania transformacji cyfrowej.

Łączenie doświadczenia i eksperckiej wiedzy

Dla promowania rozwoju Ethernetu jednoprzewodowego w zastosowaniach przemysłowych wielu ekspertów z obszarów technologii złączy wtykowych, systemów łączności i technologii automatyki, jak również branży kablowej, zebrało się, aby opracować międzynarodowe normy dla tej technologii.

Firma Weidmüller również od samego początku brała udział w takiej współpracy technicznej. „Chcemy stworzyć jak najszerszą podstawę dla Ethernetu jednoprzewodowego, dlatego nasza sieć obejmuje producentów czujników, kabli, złączy wtykowych, urządzeń pomiarowych i układów scalonych, jak również producentów urządzeń końcowych. Wszyscy oni pracują wspólnie, aby połączyć swoje kwalifikacje” mówi Seereiner w nawiązaniu do partnerstwa.

Współpraca ta pozwoliła stworzyć platformę, na której wszystkie zaangażowane firmy wymieniają się informacjami. „Doświadczenia innych firm mogą przynieść prawdziwe korzyści, takie jak wdrożenie nowych produktów” mówi Seereiner. Celem tego partnerstwa technologicznego jest zagwarantowanie stworzenia jednolitej infrastruktury dla urządzeń, złączy wtykowych, kabli i technologii pomiarowej.

Ten rodzaj jednolitej i spójnej infrastruktury jest oparty na międzynarodowej normalizacji. W przypadku technologii o takim znaczeniu związane jest to z zaangażowaniem bardzo wielu organizacji, takich jak IEEE. W przypadku projektu IEEE 802.3 cg po raz pierwszy w środowisku IEEE zdefiniowano złącza wtykowe i ich właściwości elektryczne. Wykorzystywane mogą być także wszystkie złącza wtykowe, jeżeli ich właściwości elektryczne spełniają wymagania określone w normie.

Złącza wykorzystywane w ramach Ethernetu jednoprzewodowego zostały zdefiniowane w normach serii IEC 63171-X. Budowa części współpracujących oraz wymagania mechaniczne dotyczące złączy zostały opisane w normach podporządkowanych. Złącza wtykowe SPE firmy Weidmüller stanowią przykłady wariacji IEC 63171-2 dla środowiska IP20 i IEC 63171-5 dla środowiska IP67.

Firma prezentuje obecnie dwa rozwiązania złączy dla Ethernetu jednoprzewodowego. “Oba elementy współpracujące, tj. dla IP20 i IP67, są wzajemnie kompatybilne. Jest to szczególnie korzystne w przypadku obszaru technologii pomiarów obiektowych, gdzie użytkownicy mogą łatwo łączyć urządzenia z interfejsami IP67 używając złącza pomiarowego IP20 i odwrotnie” wskazuje Seereiner. A to nie wszystko: “Planujemy także wersję czterokomorową w uzupełnieniu do złączy pojedynczych”. Pozwoli to na okablowanie czterech systemów SPE z użyciem jednego interfejsu i zapewni kompaktowość: obudowa jest mniejsza niż konwencjonalna obudowa RJ45. Firma Weidmüller pracuje także nad dodatkowymi rozwiązaniami tworzącymi infrastrukturę dla technologii SPE.