Hoe gebruik je Single Pair Ethernet om ruimte en gewicht te besparen en tegelijkertijd de industriële IoT-prestaties te verbeteren

Ethernet is de populairste standaard voor bekabelde netwerken voor Industrial Internet of Things (IIoT)-netwerken en biedt solide prestaties en bewezen betrouwbaarheid. Bovendien vermindert Power over Ethernet (PoE) de bedrading door sensoren en IIoT-eindpunten via dezelfde Ethernet-kabel van stroom te voorzien. Ethernet is ook een standaard geworden in personenauto's en vervangt in veel gevallen het seriële protocol van het Controller Area Network (CAN). Dit biedt merkbare voordelen voor autonoom rijden en geavanceerde ondersteuningssystemen voor de bestuurder (ADAS) vanwege de betrouwbaarheid en de hoge datasnelheid van Ethernet.

In grote IIoT-netwerken kunnen Ethernet-kabelbundels echter zo groot, zwaar en omslachtig worden dat de kabelbundels obstructies worden die de apparatuur belasten, waardoor extra versterking nodig is. Dit is vooral problematisch voor toepassingen in de automobielsector, waar het extra gewicht en de extra ruimte de capaciteit en het kilometerrendement verminderen. In industriële transporttoepassingen zoals vrachtwagens, passagiers- en vrachttreinen en vliegtuigen kan de extra omvang en het gewicht van de kabels zo groot zijn dat dit in het systeemontwerp moet worden gecompenseerd, waardoor de kosten stijgen en de installatietijden worden vertraagd.

Om deze problemen aan te pakken, hebben fabrikanten single pair Ethernet (SPE)-connectoren en -kabels geïntroduceerd die ook power over datalijnen (PoDL) ondersteunen. SPE biedt datatransmissie met hoge snelheid en stroomvoorziening via slechts één getwist aderpaar. In dit artikel worden de voordelen van SPE voor industriële en transporttoepassingen toegelicht. Vervolgens worden twee SPE-connectoren van Phoenix Contact besproken, alsmede twee SPE-kabels die geschikt zijn voor SPE-toepassingen.

SPE versus conventioneel Ethernet

Ethernet is de populairste bekabelde netwerkstandaard voor commerciële en industriële lokale netwerken (LAN). De meest gebruikte versies zijn 10/100Base-T Ethernet, waarbij twee getwiste aderparen worden gebruikt om gegevens over te brengen, en Gigabit Ethernet, waarbij vier getwiste aderparen worden gebruikt. Aangezien industriële automatiseringssystemen om hogere snelheden vragen, is Gigabit Ethernet met PoE populairder geworden voor het verbinden van computers met sensoren. Gewoonlijk wordt 24 AWG koperdraad gebruikt voor de getwiste paren. Deze acht draden zijn gewoonlijk gevat in een CAT5e-kabel van industriële kwaliteit, bedekt met schuimtape en een folieafscherming. In een grote industriële faciliteit zijn honderden van deze kabels door het hele gebouw verlegd. Deze kabelbundels kunnen zwaar worden, en in plaats van ze over de vloer te leiden waar iemand erover kan struikelen, worden ze gebundeld in harnassen die aan muren en apparatuur worden bevestigd. Deze bundels kunnen 50 pond of meer wegen, en als geen rekening wordt gehouden met het extra gewicht van extra kabels, kunnen deze het kabeldraagsysteem overbelasten of breken, of zelfs apparatuur doen omvallen.

Bovendien hebben conventionele Ethernetkabels een lengtebeperking van 100 meter (m). Voor grotere industriële installaties en voor automatiseringssystemen in gebouwen moeten soms repeaters worden gebruikt om de reikwijdte van Ethernet-kabels te vergroten en zo afgelegen sensoren te bereiken. Dit verhoogt de complexiteit van het systeem en introduceert een extra punt van onderhoud. Gezien de extra tijd en kosten die het verleggen van deze dikke, zware kabels met zich meebrengt, is het duidelijk dat een alternatieve bekabelingsmethode nodig is.

SPE levert bidirectionele data en zendt stroom uit via één twisted pair kabel. Het ondersteunt kabellengtes tot 1000 m, waardoor het bereik van netwerksensoren wordt uitgebreid zonder repeaters te gebruiken. Dit verlaagt het gewicht aanzienlijk en vergemakkelijkt de installatie door de lay-out te vereenvoudigen, een maximale energie-efficiëntie te bieden, minder ruimte in beslag te nemen en de installatie- en onderhoudskosten te verlagen in vergelijking met conventioneel Ethernet. Hoewel industriële systemen gebruik kunnen maken van afgeschermde jacks om te voorkomen dat kabelbundels met elkaar interfereren, worden ook lichtgewicht niet-afgeschermde kabels ondersteund. Dit is een voordeel bij toepassingen in de automobielsector, omdat het lichte kabels mogelijk maakt die gemakkelijker kunnen worden verlegd op plaatsen met beperkte ruimte, zoals onder stoelen en onder treeplanken. Met de gecombineerde voordelen van een kleinere en lichtere kabel, samen met het leveren van hoge-snelheid gegevens naast stroomlevering in een enkel kosteneffectief dradenpaar, wordt verwacht dat SPE een populaire, zo niet dominante, industriële communicatiestandaard zal worden.

SPE grondbeginselen

De formele IEEE-specificatie voor 10 megabit per seconde (Mbit/s) SPE is 802.3cg. Hij ondersteunt full-duplex datacommunicatie tot 1000 m.

IEEE 802.3bw ondersteunt full-duplex datacommunicatie tot 100 Mbits/s voor kabels tot 50 m. Het is gericht op hogesnelheidssensoren in industriële toepassingen en sommige toepassingen in de automobielsector.

IEEE 802.3bp ondersteunt full-duplex datacommunicatie tot 1000 Mbits/s bij een kabellengte tot 15 m. Bij deze kabellengte is hij geschikt voor sommige industriële sensortoepassingen, maar hij is vooral geschikt voor hoge-definitie video, alsmede voor kleine vliegtuigen en commerciële automobieltoepassingen waarbij sensorgegevens met hoge snelheid over een relatief kleine afstand moeten worden overgebracht.

Momenteel ondersteunt IEEE 802.3ch tot 10 gigabits per seconde (Gbps) met een kabellengte tot 15 m. Het is vergelijkbaar met 802.3bp maar omvat de fysieke laag (PHY). Dit is in de eerste plaats gericht op commerciële automobiel- en industriële transporttoepassingen waar hoge datasnelheden, een kleinere kabeldiameter en vooral een lager gewicht zeer belangrijke systeemontwerpoverwegingen zijn.

SPE met PoDL levert stroom aan de Ethernet-sensor of het eindpunt via hetzelfde getwiste paar, waarbij de hoeveelheid geleverde stroom wordt bepaald door de lengte van de kabel en de draaddikte. Bij een maximale lengte van 1000 m met gebruikmaking van 14 AWG draad staat de IEEE-specificatie een vermogen van 60 volt en 13,53 watt aan het eindpunt toe.

Industriële SPE-hardware

Industriële SPE-aansluitingen maken geen gebruik van RJ45-connectoren, maar van de nieuwe IEC 63171 T1-connectornorm. Phoenix Contact levert een familie van SPE-connectoren en -kabels voor industriële toepassingen.

Voor industriële SPE-toepassingen die IP67-robuustheid vereisen, biedt Phoenix Contact een echte M8-aansluiting met het 1163793 SPE M8-2 inzetstuk en de 1412502 M8-behuizing (afbeelding 1). De combinatie van het omhulsel en het inzetstuk biedt IP67-bescherming, die geschikt is voor zware industriële omgevingen. De lichtgewicht assemblage is ook geschikt voor de luchtvaart en transportsystemen.

Afbeelding 1: Het Phoenix Contact 1163793 M8-2 inzetstuk (links) en de 1412502 M8 schelp (rechts) bieden in gemonteerde toestand een echte SPE M8-oplossing met IP67-bescherming. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

De connectorassemblage kan PoDL tot 72 volt bij 4 ampère (A) leveren en is geschikt voor temperaturen van -40 °C tot +85 °C, waardoor deze geschikt is voor het voeden van IIoT-eindpunten en sensorknooppunten in buitenomgevingen. Het populaire M8-connectorformaat maakt het voor systeemfabrikanten gemakkelijk om bestaande sensoren en apparatuur met M8-connectoren om te bouwen tot SPE. De SPE-connector maakt gebruik van een standaard SPE M8-2-connectorpatroon met D-codering om ervoor te zorgen dat alleen SPE-kabels in de connector worden gestoken.

SPE-hardware voor ondernemingen

SPE is ook geschikt voor bedrijfssystemen, waaronder kantooromgevingen, waar de lichtere kabels met een kleinere diameter gemakkelijker te bouwen en te leggen zijn. IP67 industriële toepassingen kunnen gemakkelijk communiceren met deze bedrijfssystemen door gebruik te maken van hetzelfde SPE-netwerk. Voor bedrijfstoepassingen die gewoonlijk IP20-bescherming vereisen, is een geschikte oplossing de Phoenix Contact 1163797 SPE modulaire stekker, een door een gat gesoldeerde IEC 63171 stekker met een vergrendelingsclip om een solide kabelverbinding te garanderen (afbeelding 2).

Afbeelding 2: De Phoenix Contact 1163797 modulaire SPE-aansluiting is compatibel met alle huidige SPE-normen. Hij is geschikt voor maximaal 72 volt bij 4 A. (Afbeelding bron: Phoenix Contact)

Het M8-2 inzetstuk is voorzien van een sleutel om verkeerde verbindingen te voorkomen. De stekker heeft twee vergulde stekkers van koperlegering die de contactweerstand tot een minimum beperken, zodat hij PoDL tot 70 volt bij 4 A kan leveren. De M8 behuizing is van messing met een nikkellaag om corrosiebestendigheid te bieden.

De 1163797 ondersteunt alle huidige SPE-connectorspecificaties van 802.3cg/bu/bw/bp. Hij is bestand tegen ruwe omgevingen, met in- en uitschuifcycli van meer dan 750, heeft beschermingsgraad IP20, een bedrijfstemperatuurbereik van -40°C tot +85°C en afmetingen van 5 x 8,35 x 14,2 mm. Dit maakt hem geschikt voor soldeermontage op single board computers (SBC's) en programmeerbare logische controllers (PLC's), waar af en toe kabels worden verwisseld. Voorbeeldscenario's waarbij dit nuttig kan zijn, zijn fabricagefaciliteiten die eventueel moeten worden aangepast voor verschillende productassemblages.

SPE-kabels voor IIoT

Voor korte SPE-aansluitingen levert Phoenix Contact de 1183808 2 m SPE-kabel. Deze kabel ondersteunt PoDL tot 72 volt bij 4 A en heeft twee SPE-contactdozen aan elk kabeluiteinde (figuur 3). Terwijl conventioneel Ethernet stekkers heeft aan de kabeluiteinden en aansluitingen aan de eindpunten, is de SPE hardware omgekeerd.

Het kabelomhulsel is gemaakt van polyurethaan dat bestand is tegen ultraviolet (UV) licht, slijtage en de meeste oplosmiddelen. Polyurethaan kabels zijn ook bestand tegen krimpen en barsten als gevolg van blootstelling aan zonlicht en water, en tegen misbruik dat vaak voorkomt in industriële omgevingen. De kabel wordt beschermd tegen elektromagnetische interferentie (EM) door een vertinde, met koper omvlochten afscherming die is omwikkeld met een met plastic beklede aluminiumfolie. Hierdoor is hij geschikt voor omgevingen met veel elektrische ruis, vooral wanneer hij wordt gebundeld met andere high-speed kabels.

Figuur 3: De Phoenix Contact 1183808 SPE-kabel is 2 m lang en heeft een beschermende polyurethaan mantel. Hij is afgeschermd tegen EMI en ondersteunt datasnelheden tot 1000 Mbits/s. (Bron afbeelding: Phoenix Contact)

De kabelcontacten zijn van een koperlegering en ondersteunen 10 Mbit/s datatransmissie volgens 802.3cg, evenals 100 Mbit/s 802.3bw snelheden. De hoogste transmissiesnelheid is 802.3bp 1000 Mbits/s, waardoor deze niet alleen geschikt is voor sensoren, maar ook voor videobewakingsapparatuur met hoge definitie (HD).

Hoewel de kabelmantel ongevoelig is voor water en stof, en bovendien vlambestendig is volgens UL94V0, heeft de kabel assemblage een IP20 classificatie vanwege de kabelaansluitconnectoren. Elke connector heeft een vergrendelingsclip om de kabel veilig aan te sluiten op het stekkeruiteinde. Dit vergrendelingsmechanisme maakt deel uit van de SPE-connectornorm om onbedoelde verwijdering in drukke omgevingen te voorkomen. De kabel is geschikt voor gebruik bij -40°C tot +85°C en tot 750 invoeg- en verwijdercycli. Hij is geschikt voor gebruik binnenshuis met patchpanelen, evenals voor verbindingen tussen IIoT-sensoren en SPE-aansluitdozen.

Voor toepassingen die een langere kabel vereisen, biedt Phoenix Contact de 1183811 5 m SPE-kabel, die dezelfde specificaties heeft als de 1183808.

Conclusie

De overstap naar SPE in toepassingen zoals IIoT, de auto-industrie en het bedrijfsleven, helpt ontwerpers te voldoen aan de behoefte aan hogesnelheidsconnectiviteitsoplossingen die lichter, kleiner en gebruiksvriendelijker zijn, terwijl ze ook de kosten verlagen. Ontwerpers moeten echter voorzichtig zijn bij de keuze van de connectoren en kabels die zij gebruiken bij de implementatie van SPE-gebaseerde netwerken om betrouwbare connectiviteit te garanderen in fysiek ruwe en elektrisch lawaaierige omgevingen.

Zoals afgebeeld, zijn er connectorvarianten beschikbaar waarmee bedrijfssystemen met IP20-rating gemakkelijk kunnen worden aangesloten op industriële IP67-besturingssystemen met echte M8 SPE-connectoren, zodat in beide omgevingen naadloze connectiviteit en stroomvoorziening mogelijk zijn. Met de toegevoegde mogelijkheid van PoDL maakt SPE-connectiviteit het gemakkelijk om zowel stroom als data te leveren aan IIoT-eindpunten in zowel bedrijfs- als industriële omgevingen zonder extra bekabeling, waardoor implementaties sterk vereenvoudigd en gestroomlijnd worden.