Co to jest Ethernet jednoparowy (SPE) i dlaczego tak naprawdę go potrzebujemy? Przemysłowe wykorzystanie sieci Ethernet jest już od dawna znane. Są to klasyczne pytania, które zadaje sobie osoba, która po raz pierwszy skonfrontuje się z tematem Ethernetu jednoparowego.
Fakty historyczne:
| Pierwszymi „kablami do transmisji danych” były pojedyncze żyły z izolacją PVC, które zostały skręcone w pary, aby zapobiec możliwym błędom. Później stwierdzono, że izolacja o niskiej pojemności1) (np. polietylenowa) ma lepsze właściwości elektryczne, zapewnia większe zasięgi i pozwala ograniczyć stosowanie ferrytów (magnesów, które przyczyniają się do bezawaryjnej transmisji danych) w montażu kabli. Była to powszechna praktyka w technologii analogowej. Do sterowania każdą funkcją i każdym elementem systemu potrzebna była osobna para. Zmieniło się to wraz z pojawieniem się technologii cyfrowej. Impedancja, tłumienność kabla, przesłuchy w pobliżu końca kabla (NEXT) i inne właściwości zostały zdefiniowane jako parametry kabla, a technologia magistrali znalazła zastosowanie w automatyce, systemach i | inżynierii mechanicznej. Nagle okazało się, że wiele urządzeń w sieci można kontrolować za pomocą jednej pary przewodów, np. Profibus. Udało się to dzięki technologii cyfrowej i adresowaniu każdego urządzenia z osobna. Transmisja danych przez kable BUS była jednak nadal bardzo wolna w porównaniu z dzisiejszymi możliwościami i osiągała maksymalnie 20 Mbit. Ethernet, jednolita sieć danych dla sieci (technologia LAN), była początkowo wykorzystywana wyłącznie do komunikacji biurowej. Dopiero na przełomie tysiącleci urządzenia przemysłowe, złącza i kable Ethernet zostały przystosowane do użytku przemysłowego. Powstała sieć przemysłowa. |
SIEĆ PRZEMYSŁOWA MA INNĄ CHARAKTERYSTYKĘ:
| Struktura | Kategoria transmisji danych | Zakres* |
| 2-parowa lub gwiaździsta (czwórka gwiazdowa), pary nieekranowane | kat. 5 100 Mbit | Do 100 m bez repeatera |
| 4-parowe, pary nieekranowane | kat. 6 do 250 MHz | |
| 4-parowe, pary ekranowane | kat. 6A do 500 MHz | |
| kat. 7 do 600 MHz | ||
| kat. 7A do 1000 MHz | ||
| * Zakres zależy od przekroju poprzecznego żył roboczych kabla i liczby złączy przejściowych | ||
| W 2015 r. przemysł motoryzacyjny zaczął w większym stopniu polegać na jednoparowej sieci Ethernet. Jej zaletą jest oszczędność miejsca, wysoka wydajność i lekkość. Jest to zatem idealne rozwiązanie w przypadku ogromnego wzrostu szybkości transmisji danych spowodowanego przez tempomat, jazdę autonomiczną lub system kamer w pojeździe. W samochodzie zwykle stosuje się przewód nieekranowany | dla 100BASE-T1, ponieważ długość wynosi < 15 m. Aby dostosować jednoparowy Ethernet do zastosowań przemysłowych i pomóc w kształtowaniu zmian technologicznych, dołączyliśmy do SPE Industrial Network e.V. : SPE Industrial Network https://www.single-pair-ethernet.com/en |
Czy Ethernet jednoparowy zastąpi klasyczny Ethernet przemysłowy?
| Nie. Klasyczne okablowanie 2- i 4-parowe ma zalety, jeśli chodzi o zasięg, który bez repeatera sięga nawet 100 metrów. Kolejnym aspektem jest to, że okablowanie 4-parowe nadal gwarantuje transmisję szczątkową 100 Mbit w przypadku awarii lub mechanicznego przeciążenia jednej z par. Dzięki Ethernetowi jednoparowemu system czujników analogowych można było zdigitalizować, a stosunkowo powolną technologię magistrali można było stopniowo zastępować. Ponadto Ethernet jednoparowy | oferuje dodatkowe korzyści w porównaniu z klasycznym Ethernetem przemysłowym, zwłaszcza jeśli chodzi o małe systemy. Należą do nich większe promienie gięcia, mniejsze średnice zewnętrzne kabli i szybkość transmisji do 1 Gbit na jednej parze.. Takie zalety przestrzenne mają decydujące znaczenie zwłaszcza w przypadku małych kamer lub cobotów, czyli robotów współpracujących z ludźmi. |
Jak właściwie działa 1-parowa transmisja danych?
| Klasyczny Ethernet działa za pomocą 4-parowego kabla Kat 5 w zakresie częstotliwości do 100 MHz. Poszczególne pary wysyłają/odbierają sygnały naprzemiennie, dzięki czemu można przesyłać do 1 Gbit. | W przypadku Ethernetu jednoparowego dostępna jest tylko jedna para. Aby umożliwić transmisję 1 Gbit, stosuje się układy scalone o zakresie do 600 MHz. Niektóre częstotliwości szerokiego spektrum odbierają, podczas gdy inne wysyłają… Tak właśnie działa SPE! |
Dlaczego Ethernet jednoparowy jest interesujący dla zastosowań przemysłowych?
Jednoparowy Ethernet umożliwia spójną transmisję danych aż do poziomu pola. W przeciwieństwie do wcześniejszych rozwiązań, do przesyłania sygnałów potrzebna jest tylko jedna para (zamiast wcześniejszych dwóch lub czterech par).
Skutkuje to na przykład tym, że:
| 1 Gbit 1000BASE – T1 o zasięgu do 40 m | lub | 10 Mbit 10BASE – T1L o zasięgu do 1000 m |
| Ethernet jednoparowy | Ethernet jednoparowy | |
| z AWG 22 i AWG 26 | z AWG 18 |
W ten sposób Ethernet jednoparowy dokładnie odpowiada profilowi wymagań przemysłu i oferuje następujące zalety (w przeciwieństwie do klasycznego Ethernetu przemysłowego):
• Cieńsze kable
• Niższy koszt montażu
• Mniejsze wymagania przestrzenne, mniejszy ciężar, w razie potrzeby możliwość zastosowania mniejszego systemu układania
• Mniejsze promienie gięcia i mniejsze prowadniki kablowe w przypadku zastosowań ruchomych
• Mniejsze obciążenie kaloryczne, mniejsze wydzielanie dymu
• Mniej materiałów, takich jak miedź czy tworzywo sztuczne => ochrona zasobów naturalnych
| Typ | Nr kat. | Szybkość transmisji danych | Ø mm | Waga miedzi | Waga | Zakres |
| PROFInet 2x2xAWG22/1 PVC | Helu 800653 | 100 Mbit | 6,5 | 32 | 67 | mniej niż 100 |
| Ind. Ethernet 4x2xAWG26/19 PUR | Helu 82839 | 1 Gbit | 6,6 | 31 | 56 | ok. 70 |
| Ind. Ethernet 4x2xAWG26/7 PUR | Helu 805548 | 10 Gbit | 7,8 | 34 | 64 | ok. 70 |
| SPE 1x2xAWG26/19 PUR | Helu 11018067 | 1 Gbit | 5,0 | 16 | 29 | mniej niż 40 |
| SPE 1x2xAWG22/19 PUR | Helu 11018068 | 1 Gbit | 6,4 | 24 | 50 | mniej niż 40 |
Redukcja masy i miedzi o około 48%
Redukcja masy i miedzi o około 25%
Kolejną kwestią jest to, że obecnie, pomimo przemysłowej sieci Ethernet, na najniższym poziomie stosowana jest technologia magistrali cyfrowej i czujników analogowych. Ethernet jednoparowy kładzie podwaliny pod cyfryzację dotychczasowej technologii czujników, dzięki czemu Ethernet może być wykorzystywany aż do samego czujnika.
Standaryzacja
| Definicja | Standaryzacja |
| Kable | zgodne z normami IEC 61156 i ISO/IEC 11801-X |
| Normy dotyczące okablowania | Zgodnie z normami ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 i TIA42 |
| Standardy protokołu Ethernet | Zgodnie z IEEE802.3 |
| Złącza do zastosowań przemysłowych | Zgodne z IEC 63171-6 |
| Złącza do okablowania budynków | Zgodne z IEC 63171-1 |
Obszar stosowania
Ethernet jednoparowy spełnia wymagania różnych gałęzi przemysłu. Oznacza to, że kable są używane w zależności od zastosowania, np. do instalacji stałej, do zastosowań elastycznych lub do zastosowań bardzo dynamicznych, takich jak prowadniki kablowe lub roboty. W zależności od potrzeb klienta i zastosowania, powłoka może być wykonana z PVC, FRNC lub PUR. Można również stosować materiały wysokotemperaturowe, takie jak FEP.
| Typ | Nr części | Ø mm | Wartość miedzi kg/km | Waga (kg) |
| CAN 1x2x0,34mm² PUR f. prowadnik kablowy | 802182 | 6,9 | 30 | 54 |
| SPE 1x2xAWG22/19 PUR f. prowadnik kablowy | 11018068 | 6,4 | 24 | 50 |
| Redukcja | `- 7% | `- 20% | `- 7% |
| Przykład 1 – AUTOMATYZACJA FABRYKI | Przykład 2 – AUTOMATYZACJA PROCESU |
 |  |
| Kamera, czujnik, robot, maszyna | Zawór, pomiar ciśnienia, czujnik temperatury |
| AUTOMATYZACJA FABRYKI | AUTOMATYZACJA PROCESÓW |
| Dzięki 10BASE-T1L SPE oferuje także ogromny skok w automatyzacji procesów, w których od dziesięcioleci szybkość transmisji danych wynosiła 31,25 kBit. Na przykład, SPE10BASE-T1L 10 Mbit umożliwia transmisję wideo z kamer bezpieczeństwa na odległość do maks. 1000 m (nie jest to możliwe w przypadku magistrali Profibus PA). | Oprócz możliwości rozbudowy lub zastąpienia SPE w klasycznych kablach sensorycznych i Ethernecie przemysłowym, w przyszłości pojawią się również możliwości pracy z magistralą CAN z SPE 1000Base-T1 o zasięgu do 40 m. Poza zmniejszeniem masy, pozwoli to na znaczne zwiększenie szybkości przesyłania danych. |
Zasilanie przez linię danych (PoDL)
Dzięki funkcji PoDL, Ethernet jednoparowy umożliwia również zasilanie równolegle z transmisją danych. Poniższe klasyfikacje zawierają przegląd urządzeń końcowych o maksymalnej mocy 50 W.
100BASE-T1 i 1000BASE-T1
| PSE | 12 V nieregulowane | 12 V regulowane | 24 V nieregulowane | 24 V regulowane | 48 V regulowane | |||||
| Klasa | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| VPSE(max)(V)a | 18 | 18 | 18 | 18 | 36 | 36 | 36 | 36 | 60 | 60 |
| VPSE_OC(min)(V)b | 6 | 6 | 14,4 | 14,4 | 12 | 12 | 26 | 26 | 48 | 48 |
| VPSE(min)(V) | 5,6 | 5,77 | 14,4 | 14,4 | 11,7 | 11,7 | 26 | 26 | 48 | 48 |
| IPI(max)(mA)c | 101 | 227 | 249 | 471 | 97 | 339 | 215 | 461 | 735 | 1360 |
| Pclass(min)(W)d | 0566 | 1,31 | 3,59 | 6,79 | 1,14 | 3,97 | 5,59 | 12 | 35,3 | 65,3 |
| VPD(min)(V) | 4,94 | 4,41 | 12 | 10,6 | 10,3 | 8,86 | 23,3 | 21,7 | 40,8 | 36,7 |
| PPD(max)(W) | 0,5 | 1 | 3 | 5 | 1 | 3 | 5 | 10 | 30 | 50 |
KLASYFIKACJA URZĄDZEŃ ZASILANYCH 10BASE-T1L PODL
| Klasa | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| VPSE(max)(V) | 36 | 36 | 36 | 60 | 60 | 60 |
| VPSE_OC(min)(V) | 20 | 20 | 20 | 50 | 50 | 50 |
| VPSE(min)(V) | 20 | 20 | 20 | 50 | 50 | 50 |
| IPI(max)(mA) | 102 | 155 | 169 | 254 | 388 | 400 |
| Pclass(min)(W) | 2,04 | 3,1 | 3,38 | 12,71 | 9,4 | 20 |
| VPD(min)(V) | 13,98 | 13,96 | 13,92 | 35,01 | 34,87 | 35,6 |
| PPD(max)(W) | 1,43 | 2,16 | 2,35 | 8,89 | 13,53 | 14,24 |
| Rozmiar AWG | 18 | 14 | 24 | 18 | 14 | 24 |
| Długość kabla (m) | 1000 | 1000 | 300 | 1000 | 1000 | 300 |
Kable hybrydowe do większych wymagań w zakresie zasilania
| Jeśli klasyfikacje PoDL do maks. 50 W nie pokrywają zapotrzebowania urządzenia na moc, kable hybrydowe SPE i złącza M8 stanowią idealne rozwiązanie dla urządzeń o większej mocy. W tym przypadku kabel zawiera parę Ethernet o przekroju AWG 22-24 oraz dwie żyły zasilające o przekroju AWG 18, które są w stanie zasilić urządzenie do 400 W przy napięciu 60 V na odległości 40 m. W tego typu konstrukcji, ekranowanie pary Ethernet jest obowiązkowe. Opcjonalnie możliwe jest zastosowanie ekranu ogólnego. |  |
1) Izolacje o niskiej pojemności, takie jak polietylen, magazynują mniej energii i zapewniają lepszą, bardziej wydajną transmisję danych.
