Новая статья д-ра Михаэля Хильгнера, Лукаса Бехтеля, Корнелии Эйтель для Belden
Впервые однопарный Ethernet стандартизируется в рамках проектов, учитывающих промышленные экологические требования.
Технология Single Pair Ethernet (SPE - Однопарная сеть Ethernet), вероятно, получила распространение благодаря подключенным автомобилям (подключенный автомобиль - транспортное средство, которое обменивается данными с другими автомобилями и устройствами, сетями и сервисами, охватывающими обширную инфраструктуру, включая ваш дом и офис (с).
Однако теперь она используется для расширения связи Industrial Ethernet до устройств полевого уровня на заводе.
В то время как стандартный Ethernet использует две или четыре пары проводов, SPE использует одну витую пару проводов.
Ранние проекты SPE, такие как IEEE 802.3bw для 100 Мбит/с (опубликован в 2015 году) и IEEE 802.3bp для 1 Гбит/с (опубликован в 2016 году), были ориентированы на автомобильную промышленность и ее потребность в компактных, легких и экономичных кабелях Ethernet для передачи данных от беспроводных сенсорных сетей в новых автомобилях.
Недавние проекты по стандартизации однопарного Ethernet были ориентированы на промышленные требования, однако в других отраслях промышленности существуют свои требования.
Медленный, но неуклонный прогресс SPE
Хотя в 2016 году был выпущен стандарт IEEE 802.3bp, включающий сегмент с радиусом действия до 40 м для поддержки отраслей, выходящих за рамки автомобильной промышленности, таких как дискретное производство и другие виды транспорта, производители микросхем продолжали фокусировать свои усилия на автомобильной промышленности, поскольку спрос на них был самым высоким.
Возможно, в то время промышленные среды не были главным приоритетом для SPE, но прогресс все равно продолжался.
Например, в 2019 году был опубликован стандарт IEEE 802.3cg для 10 Мбит/с, включающий экранированный сегмент длиной 1000 м (10BASE-T1L) для обрабатывающей промышленности. (Он также включает неэкранированный 15-метровый автомобильный сегмент [10BASE-T1S]).
Определяя два уровня сигнала, 10BASE-T1L позволяет использовать Ethernet во взрывоопасных средах, формируя подходящую основу для Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL), который был разработан в 2021 году специально для требований обрабатывающей промышленности.
Сочетание длины сегмента 1 000 м и пропускной способности 10 Мбит/с, а также схема питания по линии передачи данных, определенная Ethernet-APL, позволяет преодолеть расстояние между приборами (например, между датчиками и точкой агрегации или диспетчерской), передавая данные с большей пропускной способностью, чем традиционные полевые шины. Это позволяет реализовать такие возможности, как прогнозирование технического обслуживания.
Текущий проект IEEE 802.3dg 100 Мбит/с, который планируется завершить в 2025 году, также обусловлен приложениями, выходящими за рамки автомобильной промышленности. Например, для обрабатывающей промышленности сегмент длиной 500 м со скоростью 100 Мбит/с является хорошим дополнением к 10BASE-T1L для приборов с высокими требованиями к пропускной способности.
Для дискретного производства, которое традиционно ориентируется на 100 Мбит/с, сегмента 100 м будет достаточно, чтобы стать альтернативой существующим решениям Multi-Pair Ethernet.
Как различаются сетевые требования для промышленной автоматизации
Помимо разных диапазонов, требования технологической и транспортной промышленности различаются еще по одному признаку: допустимой задержке.
Задержка должна быть низкой, особенно для приложений управления движением в дискретном производстве. Это требование влияет на основную спецификацию IEEE 802.3dg относительно того, может ли быть обеспечено FEC (forward error correction - упреждающее исправление ошибок) для достижения требуемой частоты ошибок по битам, как определено для 10BASE-T1L.
FEC необходим для автоматизации процессов, поскольку из-за электромагнитных помех невозможно гарантировать достаточное качество передачи на расстоянии 500 м. Однако, поскольку это увеличивает задержку, его следует избегать в дискретном производстве. Это возможно за счет сокращения расстояния до 100 м и выбора подходящего метода кодирования.
Будет ли FEC указан как дополнительная функция или будет два определения сегментов, пока неизвестно. Но что можно сказать наверняка, так это диверсификация по секторам.
SPE в обрабатывающей промышленности
Ethernet-APL обеспечивает разработку и выход на рынок конечных устройств - от приборов до коммутаторов. Требования к кабелям указаны для новых и существующих кабелей по стандарту IEC 61156, диаметр кабелей варьируется от 26 AWG до 14 AWG. Кабели диаметром от 18 AWG до 14 AWG предназначены в первую очередь для реализации магистрали (соединение полевых коммутаторов APL с силовыми коммутаторами APL).
Ethernet-APL также содержит спецификации на разъемы, винтовые и зажимные клеммы. Соответствующие спецификации могут быть приняты или адаптированы для сегмента 100 Мбит/с из стандарта IEEE 802.3dg.
SPE в гибридном производстве
Ethernet-APL сочетает в себе требования к коммуникациям в обрабатывающей промышленности и проблемы, связанные с потенциально взрывоопасными средами.
В неопасных средах, таких как производство продуктов питания и напитков, требования искробезопасности не применяются. В результате можно использовать технологию PoDL (Power over Data Line - Питание по линии передачи данных) в форме, определенной стандартом IEEE 802.3cg (также называемую SPoE, или Single Pair Power over Ethernet - Однопарное питание через Ethernet).
В зависимости от потребляемой мощности подключенного устройства и класса SPoE для больших расстояний требуются провода диаметром до 16 AWG.
SPoE, согласно IEEE 802.3cg, непосредственно применим к сегменту 100 Мбит/с из IEEE 802.3dg из-за ссылки на максимальное сопротивление шлейфа.
SPE в дискретном производстве
Для подключения датчиков и исполнительных механизмов сегмент 10 Мбит/с стандарта IEEE 802.3cg представляет собой альтернативу IO-Link.
Вы сами решаете, что лучше для вашего приложения, основываясь на сравнении преимуществ SPE (дальность связи Ethernet с датчиком, пропускная способность и т. д.) и IO-Link (неэкранированные кабели, меньшие затраты на приобретение и т. д.).
С сегментом 100 Мбит/с от IEEE 802.3dg, при условии реализации приемлемой задержки, SPE является альтернативой многопарному Ethernet в Industrial Ethernet.