Нова стаття д-ра Міхаеля Хільгнера, Лукаса Бехтеля, Корнелії Ейтель для Belden
Вперше однопарний Ethernet стандартизується в рамках проєктів, що враховують промислові екологічні вимоги.
Технологія Single Pair Ethernet (SPE - Однопарна мережа Ethernet), ймовірно, набула поширення завдяки під'єднаним автомобілям (під'єднаний автомобіль - транспортний засіб, що обмінюється даними з іншими автомобілями та пристроями, мережами й сервісами, що охоплюють велику інфраструктуру, включно з вашим будинком і офісом (с).
Проте тепер вона використовується для розширення зв'язку Industrial Ethernet до пристроїв польового рівня на заводі.
У той час як стандартний Ethernet використовує дві або чотири пари дротів, SPE використовує одну виту пару дротів.
Ранні проєкти SPE, як-от IEEE 802.3bw для 100 Мбіт/с (опублікований 2015 року) та IEEE 802.3bp для 1 Гбіт/с (опублікований 2016 року), були орієнтовані на автомобільну промисловість та її потребу в компактних, легких та економічних кабелях Ethernet для передавання даних від бездротових сенсорних мереж у нових автомобілях.
Нещодавні проєкти зі стандартизації однопарного Ethernet були орієнтовані на промислові вимоги, однак в інших галузях промисловості існують свої вимоги.
Повільний, але невпинний прогрес SPE
Хоча у 2016 році було випущено стандарт IEEE 802.3bp, що включає сегмент з радіусом дії до 40 м для підтримки галузей, що виходять за рамки автомобільної промисловості, таких як дискретне виробництво та інші види транспорту, виробники мікросхем продовжували фокусувати свої зусилля на автомобільній промисловості, оскільки попит на них був найвищим.
Можливо, в той час промислові середовища не були головним пріоритетом для SPE, але прогрес все одно тривав.
Наприклад, у 2019 році було опубліковано стандарт IEEE 802.3cg для 10 Мбіт/с, що включає екранований сегмент довжиною 1000 м (10BASE-T1L) для обробної промисловості. (Він також включає неекранований 15-метровий автомобільний сегмент [10BASE-T1S]).
Визначаючи два рівні сигналу, 10BASE-T1L дає змогу використовувати Ethernet у вибухонебезпечних середовищах, формуючи підходящу основу для Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL), який був розроблений у 2021 році спеціально для вимог обробної промисловості.
Поєднання довжини сегмента 1 000 м і пропускної здатності 10 Мбіт/с, а також схема живлення по лінії передавання даних, визначена Ethernet-APL, дає змогу подолати відстань між приладами (наприклад, між датчиками і точкою агрегації або диспетчерською), передаючи дані з більшою пропускною здатністю, ніж традиційні польові шини. Це дає змогу реалізувати такі можливості, як прогнозування технічного обслуговування.
Поточний проєкт IEEE 802.3dg 100 Мбіт/с, який планується завершити у 2025 році, також зумовлений додатками, що виходять за рамки автомобільної промисловості. Наприклад, для обробної промисловості сегмент завдовжки 500 м зі швидкістю 100 Мбіт/с є гарним доповненням до 10BASE-T1L для приладів із високими вимогами до пропускної здатності.
Для дискретного виробництва, яке традиційно орієнтується на 100 Мбіт/с, сегмента 100 м буде достатньо, щоб стати альтернативою наявним рішенням Multi-Pair Ethernet.
Як відрізняються мережеві вимоги для промислової автоматизації
Крім різних діапазонів, вимоги технологічної та транспортної промисловості різняться ще за однією ознакою: допустимою затримкою.
Затримка має бути низькою, особливо для додатків керування рухом у дискретному виробництві. Ця вимога впливає на основну специфікацію IEEE 802.3dg щодо того, чи може бути забезпечено FEC (forward error correction - попереджувальне виправлення помилок) для досягнення необхідної частоти помилок за бітами, як визначено для 10BASE-T1L.
FEC необхідний для автоматизації процесів, оскільки через електромагнітні перешкоди неможливо гарантувати достатню якість передачі на відстані 500 м. Однак, оскільки це збільшує затримку, його слід уникати в дискретному виробництві. Це можливо за рахунок скорочення відстані до 100 м і вибору відповідного методу кодування.
Чи буде FEC вказано як додаткову функцію, чи буде два визначення сегментів, поки невідомо. Але що можна сказати напевно, так це диверсифікація за секторами.
SPE в обробній промисловості
Ethernet-APL забезпечує розробку і вихід на ринок кінцевих пристроїв - від приладів до комутаторів. Вимоги до кабелів вказані для нових і наявних кабелів за стандартом IEC 61156, діаметр кабелів варіюється від 26 AWG до 14 AWG. Кабелі діаметром від 18 AWG до 14 AWG призначені насамперед для реалізації магістралі (з'єднання польових комутаторів APL із силовими комутаторами APL).
Ethernet-APL також містить специфікації на роз'єми, гвинтові та затискні клеми. Відповідні специфікації можуть бути прийняті або адаптовані для сегмента 100 Мбіт/с зі стандарту IEEE 802.3dg.
SPE у гібридному виробництві
Ethernet-APL поєднує в собі вимоги до комунікацій в обробній промисловості та проблеми, пов'язані з потенційно вибухонебезпечними середовищами.
У безпечних середовищах, таких як виробництво продуктів харчування та напоїв, вимоги іскробезпеки не застосовуються. У результаті можна використовувати технологію PoDL (Power over Data Line - Живлення по лінії передачі даних) у формі, визначеній стандартом IEEE 802.3cg (також звану SPoE, або Single Pair Power over Ethernet - Однопарне живлення через Ethernet).
Залежно від споживаної потужності під'єднаного пристрою і класу SPoE для великих відстаней потрібні дроти діаметром до 16 AWG.
SPoE, згідно з IEEE 802.3cg, безпосередньо застосовний до сегмента 100 Мбіт/с з IEEE 802.3dg через посилання на максимальний опір шлейфу.
SPE у дискретному виробництві
Для під'єднання датчиків і виконавчих механізмів сегмент 10 Мбіт/с стандарту IEEE 802.3cg є альтернативою IO-Link.
Ви самі вирішуєте, що краще для вашого застосунку, ґрунтуючись на порівнянні переваг SPE (дальність зв'язку Ethernet із датчиком, пропускна спроможність тощо) і IO-Link (неекрановані кабелі, менші витрати на придбання тощо).
Із сегментом 100 Мбіт/с від IEEE 802.3dg, за умови реалізації прийнятної затримки, SPE є альтернативою багатопарному Ethernet в Industrial Ethernet.