Slik bruker du enkeltpars Ethernet for å spare plass og vekt, samtidig som du forbedrer industriell IoT-ytelse

Ethernet er den mest populære kablede nettverksstandarden for IIoT-nettverk (Industrial Internet of Things), og gir solid ytelse og dokumentert pålitelighet. I tillegg reduserer Power over Ethernet (PoE) ledninger ved å gi strøm til sensorer og IIoT-endepunkter over samme Ethernet-kabel. Ethernet er også blitt en standard i personbiler, det erstatter i mange tilfeller serieprotokollen Controller Area Network (CAN). Dette gir merkbare fordeler for autonom kjøring og avanserte driverhjelpesystemer (ADAS) på grunn av Ethernets pålitelighet og høye datahastighet.

I store IIoT-nettverk kan imidlertid Ethernet-kabelbunter bli så store, tunge og tunge at kabelbuntene kan bli hindringer som tynger ned utstyret, noe som krever ekstra forsterkning. Dette er spesielt problematisk for bilutrustninger der ekstra vekt og plass reduserer kapasitet og kjørelengde. I utstyr innen transportbransjen, som lastebiler, passasjer- og godstog og fly, kan den ekstra størrelsen og vekten på kablene være stor nok til at den må kompenseres i systemutformingen, øke kostnadene og redusere oppsettstidene.

For å håndtere disse problemene har produsentene introdusert enkeltpars Ethernet-kontakter og kabler som også støtter strøm over datalinjer (power over data lines – PoDL). SPE leverer høyhastighets dataoverføring så vel som strøm over bare ett tvunnet lederpar. Denne artikkelen vil forklare fordelene med SPE-foretak for industrielle og transportmessige bruksområder. Den vil deretter ta for seg to SPE-kontakter fra Phoenix Contact samt to SPE-kabler som er egnet for SPE-utrustninger.

SPE versus konvensjonelt Ethernet

Ethernet er den mest populære kablede nettverksstandarden for kommersielle og industrielle lokalnettverk (LAN). De mest brukte versjonene er 10/100Base-T Ethernet som bruker to snodde par ledninger for å overføre data, og Gigabit Ethernet som bruker fire tvunnet par. Etter hvert som industrielle automatiseringssystemer krever raskere hastigheter, har Gigabit Ethernet med PoE blitt mer populært for å koble datamaskiner til sensorer. Vanligvis brukes 24 AWG kobbertråd til de tvunnede parene. Disse åtte ledningene er vanligvis innkapslet i en CAT5e-kabel av industriell kvalitet dekket med skumtape og et folieskjerm. I et stort industrianlegg kan hundrevis av disse kablene sees ført over hele bygningen. Disse kabelbuntene kan bli tunge, og istedenfor å føre dem over gulvet hvor noen kan snuble over dem, er de sammenbuntet i ledningsnett som er festet til vegger og utstyr. Disse buntene kan veie 50 pund (lb) eller mer, og hvis det ikke tas hensyn til den ekstra vekten av ekstra kabler, kan de belaste eller bryte kabelstøttesystemet eller til og med velte utstyret.

I tillegg har konvensjonelle Ethernet-kabler en lengdegrense på 100 meter. For større industrianlegg og for bygningsautomatiseringssystemer må repeatere noen ganger brukes til å utvide rekkevidden til Ethernet-kabler for å nå fjernsensorer. Dette øker kompleksiteten i systemet og introduserer et annet vedlikeholdspunkt. Med den ekstra tiden og den ekstra kostnaden med å dra disse tykke, tunge kablene, er det klart at det er nødvendig med en alternativ kabelføringsmetode.

SPE leverer toveis data og sender strøm ved hjelp av en tvunnet parkabel. Den støtter kabellengder opptil 1000 m, og strekker seg til nettverkssensorer uten å bruke repeatere. Dette reduserer vekten betydelig og letter installasjonen ved å forenkle oppsettet, gi maksimal strømeffektivitet, et mindre fotavtrykk og lavere installasjons- og vedlikeholdskostnader sammenlignet med konvensjonelt Ethernet. Mens industrielle systemer kan bruke skjermede kapper for å hindre kabelbunter i å forstyrre hverandre, støttes også lette uskjermede kabler. Dette er en fordel i bilindustrien, noe som gir mulighet for lette kabler som lettere kan føres i plassbegrensede områder som under seter og under løpebrett. Med de kombinerte fordelene ved en mindre og lettere kabel, sammen med høyhastighetsdata ved siden av strømforsyning i et enkelt kostnadseffektivt par ledninger, forventes SPE å bli en populær, om ikke dominerende, industriell kommunikasjonsstandard.

Grunnleggende om SPE-er

Den formelle IEEE-spesifikasjonen for 10 megabit per sekund (Mbit/s) SPE er 802.3cg. Den støtter fulldupleks datakommunikasjon opptil 1000 m.

IEEE 802.3bw støtter fulldupleks datakommunikasjon på opptil 100 Mbit/s for kabler på opptil 50 m. Den retter seg mot høyhastighetssensorer i industrielle utrustninger og enkelte bilutrustninger.

IEEE 802.3bp støtter full dupleksdatakommunikasjon ved opptil 1000 Mbit/s for en kabellengde på opptil 15 m. Ved denne kabellengden er den anvendelig for noen industrielle sensorapplikasjoner, men er spesielt egnet for høyoppløsningsvideo, i tillegg til små fly og kommersielle bilutrustninger der høyhastighetssensordata må overføres over en relativt liten avstand.

For øyeblikket støtter IEEE 802.3ch opptil 10 gigabit per sekund (Gbps) med en kabellengde på opptil 15 m. Den er lik 802.3bp men inkluderer det bitoverføringsskikt (physical layer – PHY). Dette er primært fokusert på kommersielle bil- og industritransportutrustninger der høye datahastigheter, mindre kabeldiameter og spesielt lavere vekt er svært viktige systemdesignhensyn.

SPE med PoDL gir strøm til Ethernet-sensoren eller endepunktet over det samme tvunnede paret, med mengden strømtilførsel bestemt av kabellengden og ledningstykkelse. Ved en maksimal lengde på 1000 m ved hjelp av 14 AWG-ledninger, tillater IEEE-spesifikasjonen 60 volt og 13,53 watt effekt ved endepunktet.

Industriell SPE-kobling

Industrielle SPE-tilkoblinger bruker ikke RJ45-kontakter, men i stedet den nye IEC 63171 T1-koblingsstandarden. Phoenix Contact leverer en familie av SPE-kontakter og kabler som er rettet mot industrielle bruksområder.

For industrielle SPE-utrustninger som trenger IP67-styrke, tilbyr Phoenix Contact en sann M8-tilkobling ved hjelp av 1163793 SPE M8-2-innsatsen med 1412502 M8-kapsel (figur 1). Kombinasjonen av moduler med kapsel og innsatser gir IP67-beskyttelse, noe som passer i tøffe industrimiljøer. Lettvektsmodulene er også egnet for luftfarts- og transportsystemer.

Figur 1: Phoenix Contact 1163793 M8-2-innsatsen (venstre) og 1412502 M8-kapsel (høyre) gir en sann SPE M8-løsning med IP67-beskyttelse når de er montert. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Kontaktmodulene kan levere PoDL opptil 72 volt ved 4 ampere (A) og er klassifisert for temperaturer fra -40 °C til +85 °C, noe som gjør den egnet for å drive IIoT-endepunkter og sensornoder i utendørs omgivelser. Det populære M8-tilkoblingsformatet gjør det enkelt for systemprodusentene å montere eksisterende sensorer og utstyr med M8-tilkoblinger til SPE. SPE-kontaktmodulen bruker et standard SPE M8-2-tilkoblingsmønster med D-koding for å sikre at bare SPE-kabler settes inn i kontaktenheten.

SPE-kobling for bedrifter

SPE er også hensiktsmessig i bedriftssystemer, inkludert kontormiljøer, der de lettere og mindre diameterkablene er enklere å bygge og rute. IP67 industrielle utrustninger kan enkelt samhandle med disse bedriftssystemene ved hjelp av det samme SPE-nettverket. For bedriftsutrustninger som vanligvis krever IP20-beskyttelse, er en hensiktsmessig løsning Phoenix Contact 1163797 SPE-modulæruttaket, en gjennomgående loddet IEC 63171-jakk med en låseklemme for å sikre en solid kabeltilkobling (figur 2).

Figur 2: Phoenix Contact 1163797-modulær SPE-uttak er kompatibel med alle gjeldende SPE-standarder. Den er klassifisert til å levere opptil 72 volt ved 4 A. (Bildekilde: Phoenix Contact)

M8-2-innsatsen er tastet for å forhindre feilkoblinger. Uttaket har to forgylte kobberlegeringsplugger som holder kontaktmotstanden på et minimum, slik at den kan levere PoDL opptil 70 volt ved 4 A. M8-kapsel er messing med nikkelbelegg for å gi korrosjonsmotstand.

1163797 støtter alle gjeldende SPE-tilkoblingsspesifikasjoner på 802.3cg/bu/bw/bp. Den er bygget for å motstå robuste omgivelser, med innsettings- og uttakssykluser spesifisert ved mer enn 750, er klassifisert ved IP20, har et driftstemperaturområde fra -40 °C til +85 °C og måler 5 x 8,35 x 14,2 mm. Dette gjør det hensiktsmessig for loddemontering på enkeltkortsdatamaskiner (SBC-er) så vel som PLS-er (programmerbare logiske styringer), der kabler byttes av og til. Eksempelscenarier der dette viser seg nyttig inkluderer produksjonsanlegg som kanskje må rekonfigureres for forskjellige produktsammenstillinger.

SPE-kabler for IIoT

For korte SPE-tilkoblinger leverer Phoenix Contact 1183808 2 m SPE-kabel. Denne kabelen støtter PoDL opptil 72 volt ved 4 A og har to SPE-beholdere ved hver kabelterminering (figur 3). Mens konvensjonelt Ethernet har uttak på kabelendene og stikkontakter på endepunktene, er SPE-koblingen reversert.

Kabelkappen er laget av polyuretan som er motstandsdyktig mot ultrafiolett lys (UV-lys), slitasje og de fleste løsemidler. Polyuretankabler er også motstandsdyktige mot krymping og sprekker forårsaket av eksponering for sollys og vann, så vel som den harde bruken som vanligvis oppstår i industrielle miljøer. Kabelen er beskyttet mot elektromagnetisk interferens (EM) av et tinnet, kobberflettet skjold som er pakket inn i plastbelagt aluminiumsfolie. Dette gjør det hensiktsmessig for elektrisk støyende miljøer, spesielt når det er sammenbuntet med andre høyhastighetskabler.

Figur 3: Phoenix Contact 1183808 SPE-kabelen er 2 m lang og har en beskyttende polyuretankappe. Den er skjermet fra EMI og støtter datahastigheter på opptil 1000 Mbit/s. (Bildekilde: Phoenix Contact)

Kabelkontaktene er kobberlegeringer og støtter 802.3cg kompatibel 10 Mbit/s dataoverføring, så vel som 100 Mbit/s 802.3bw-hastigheter. Den høyeste overføringshastigheten er 802.3bp 1000 Mbit/s, noe som gjør dette hensiktsmessig ikke bare for sensorer, men også for HD-videoovervåkingsutstyr.

Mens kabelkappen er immun mot vann og støv, i tillegg til å være flammebestandig mot UL94V0, er kabelmodulen klassifisert IP20 på grunn av kabelens termineringskontakter. Hver kontakt har en låseklemme for å koble kabelen sikkert til endepunkt-uttaket. Denne låsemekanismen er en del av SPE-tilkoblingsstandarden for å forhindre utilsiktet fjerning i hektiske miljøer. Kabelen er klassifisert til -40 °C til + 85 °C-drift og opptil 750 innsettings- og fjerningssykluser. Den er egnet for innendørs bruk med patchpaneler, så vel som forbindelser mellom IIoT-sensorer og SPE-koblingsbokser.

For bruksområder som krever en lengre kabel, tilbyr Phoenix Contact 1183811 5 m SPE-kabel, som har samme spesifikasjoner som 1183808.

Konklusjon

Flyttingen til SPE i utrustninger som IIoT, bilindustrien og bedriften hjelper designere med å dekke behovet for høyhastighetstilkoblingsløsninger som er lettere, mindre og enklere å bruke, samtidig som kostnadene senkes. Designere må imidlertid være forsiktige med å velge kontaktene og kablene de bruker når de distribuerer SPE-baserte nettverk for å sikre pålitelig tilkobling i fysisk røffe og elektrisk støyende miljøer.

Som vist er tilkoblingsvariasjoner tilgjengelige som gjør det mulig for IP20-klassifiserte bedriftssystemer å enkelt koble til IP67-industrielle kontrollsystemer med ekte M8 SPE-tilkoblinger, noe som gir sømløs tilkobling og strømlevering i begge miljøer. Med den ekstra muligheten til PoDL, gjør SPE-tilkobling det enkelt å levere både strøm og data til IIoT-endepunkter i både virksomhets- og industrimiljøer uten å føres ekstra kabler, noe som forenkler og effektiviserer distribusjonene.