Hur man använder Ethernet med ett par för att spara utrymme och vikt samtidigt som man förbättrar den industriella IoT-prestandan

Ethernet är den populäraste kabelanslutna nätverksstandarden för Industrial Internet of Things (IIoT), och har en bra prestanda och bevisad tillförlitlighet. Dessutom minskar Power over Ethernet (PoE) kabelförläggningen genom att strömförsörja sensorer och IIoT-slutpunkter genom samma Ethernet-kabel. Ethernet har även blivit en standard i personbilar och ersätter i många fall det seriella protokollet CAN (Controller Area Network). Detta ger tydliga fördelar vid autonom körning och avancerade system för förarassistans (ADAS) tack vare Ethernets tillförlitlighet och höga datahastighet.

Men, i stora IIoT-nätverk kan buntar med Ethernet-kablar dock bli så stora, tunga och besvärliga att kabelbuntarna kan bli hinder som tynger utrustning, vilket kräver extra förstärkning. Detta är särskilt problematiskt för tillämpningar i fordon där extra vikt och utrymme minskar kapaciteten och körsträckan. I tillämpningar inom industriella transporter såsom lastbilar, person- och godståg samt flygplan kan kablarnas extra storlek och vikt vara tillräckligt stor för att den ska behöva kompenseras i systemkonstruktionen, vilket ökar kostnader och gör installationen långsammare.

För att hantera dessa problem har tillverkare introducerat Ethernet-anslutningar med bara ett par (SPE) och kablar som även har stöd för ström via datalinjer (PoDL). SPE tillhandahåller dataöverföring i hög hastighet och ström i endast ett tvinnat ledarpar. Artikeln kommer att förklara fördelarna med SPE för tillämpningar inom industri- och transport. Därefter diskuteras två SPE-kontakter frånPhoenix Contact samt två SPE-kablar som är lämpliga för SPE-tillämpningar.

SPE kontra konventionellt Ethernet

Ethernet är den populäraste kabelanslutna nätverksstandarden för kommersiella och industriella lokala nätverk (LAN). De mest använda versionerna är 10/100Base-T Ethernet som använder två tvinnade ledarpar för att överföra data och Gigabit Ethernet som använder fyra tvinnade par. Eftersom industriella automatiseringssystem kräver snabbare hastigheter har Gigabit Ethernet med PoE blivit allt mer populärt för att ansluta datorer till sensorer. För det mesta används kopparledare på 0,51 mm2 kopparledare för de tvinnade paren. Dessa åtta ledningar är vanligtvis inneslutna i en CAT5e-kabel av industriell kvalitet täckt med skumtejp och en folieskärm. I en stor industrianläggning kan man se hundratals av dessa kablar förlagda i hela byggnaden. Kabelbuntarna kan bli tunga och snarare än att leda dem över golvet där någon kan snubbla på dem, buntas de ihop i stammar och fästs på väggar och i utrustning. Stammarna kan väga 22,6 kg eller mer, och om man inte tar hänsyn till den extra vikten av ytterligare kablar kan de sträcka eller ha sönder kabelstöden, och till och med välta utrustning.

Konventionella Ethernet-kablar har dessutom en maximal längd 100 m. För större industrianläggningar och system för byggnadsautomation måste signalförstärkare ibland användas för att utöka räckvidden för Ethernet-kablarna för att de ska nå fjärrsensorer. Detta ökar systemets komplexitet och introducerar ytterligare en punkt att underhålla. Med den extra tiden och de extra kostnaderna för att förlägga dessa tjocka, tunga kablar är det uppenbart att det behövs en alternativ metod för kabelförläggning.

SPE tillhandahåller dubbelriktad data och ström i en partvinnad kabel. Den har stöd för kabellängder på upp till 1000 m, vilket utökar räckvidden så att den når nätverkssensorer utan någon användning av signalförstärkare. Detta sänker vikten betydligt och underlättar installationen genom att förenkla layouten, ger maximal energieffektivitet, ett mindre utrymmesbehov samt lägre installations- och underhållskostnader jämfört med konventionellt Ethernet. Även om industriella system kan använda skärmade uttag för för att förhindra att kabelstammar stör varandra, så finns det även stöd för lätta, oskärmade kablar. Detta är en fördel i fordonstillämpningar, där lätta kablar kan förläggas enklare i trånga utrymmen såsom under säten och under sparklådor. Med de kombinerade fördelarna hos en mindre och lättare kabel, och data i hög hastighet tillsammans med ström i ett kostnadseffektiv par ledare, så förväntas SPE bli en populär, om inte dominerande, industriell kommunikationsstandard.

Grunderna om SPE

Den formella IEEE-specifikationen för SPE med 10 megabit per sekund (Mbit/s) är 802,3 cg. Den har stöd för datakommunikation med full duplex upp till 1000 m.

IEEE 802.3bw har stöd för datakommunikation med full duplex upp till 100 Mbits/s för kablar upp till 50 m. Den är avsedd för höghastighetssensorer i industriella tillämpningar och i vissa fordontillämpningar.

IEEE 802.3bp har stöd för datakommunikation med full duplex upp till 1000 Mbits/s för en kabellängd på upp till 15 m. Vid denna kabellängd, är den användbar i tillämpningar med vissa industriella sensorer men är särskilt lämpad för högupplöst video, likväl som för små flygplan och kommersiella fordonstillämpningar där sensordata med hög hastighet måste överföras på ett relativt litet avstånd.

För närvarande stöder IEEE 802.3ch upp till 10 Gigabit per sekund (Gbit/s) med en kabellängd på upp till 15 m. Den liknar 802.3bp men inkluderar det fysiska lagret (PHY). Den är i första hand avsedd för kommersiella tillämpningar inom fordonsindustrin och industritransporter där höga datahastigheter, mindre kabeldiametrar och i synnerhet lägre vikt är mycket viktiga överväganden vid systemkonstruktionen.

SPE med PoDL ger ström till Ethernet-sensorn eller slutpunkten via samma tvinnade par, där mängden effekt avgörs av kabelns längd och diameter. Med en maximal längd på 1000 m med en ledare på 1,6 mm2 möjliggör IEEE-specifikationen 60 V och 13,53 W vid slutpunkten.

Industriell SPE-hårdvara

Industriella SPE-anslutningar använder inte RJ45-kontakter utan istället den nya anslutningsstandarden IEC 63171 T1. Phoenix Contact har en familj avSPE-kontakter och kablar som är avsedd för industriella tillämpningar.

För industriella SPE-applikationer som behöver IP67-tålighet har Phoenix Contact en äkta M8-anslutning med SPE M8-2 insatsen 1163793 och M8-skalet 1412502 (figur 1). Kombinationen av hölje och insats ger ett skydd enligt IP67 som är lämpligt för tuffa industriella miljöer. Den lätta enheten är även lämplig för flyg- och transportsystem.

Figur 1: M8-2 insatsen 1163793 M8-2 (vänster) från Phoenix Contact och M8-höljet 1412502 (höger) ger en äkta SPE M8-lösning med IP67-skydd vid montering. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Den monterade kontakten kan ge PoDL upp till 72 V vid 4 A och är klassificerad för temperaturer från -40 °C till + 85 °C, vilket gör den lämplig för att driva IIoT-slutpunkter och sensornoder i utomhusmiljöer. Det populära kontaktformatet M8 gör det enkelt för systemtillverkare att montera om befintliga sensorer och utrustning med M8-kontakter till SPE. Den monterade SPE-anslutningen använder ett standardiserat SPE M8-2-anslutningsmönster med D-kodning för att garantera att SPE-kablar förs in i den monterade kontakten.

SPE-hårdvara för företag

SPE är även lämpligt i företagssystem, inklusive kontorsmiljöer, där kablarna med lättare och mindre diameter är enklare att bygga och förlägga. Industriella tillämpningar med IP67 kan enkelt interagera med dessa företagssystem i samma SPE-nätverk. För företagstillämpningar som vanligtvis kräver skydd enligt IP20, är det modulära SPE-uttaget 1163797, ett IEC 63171 kompatibelt uttag för genomgående hål från Phoenix Contact med en låsklämma för att garantera en gedigen kabelanslutning (figur 2).

Bild 2: Det modulära SPE-uttaget 1163797 från Phoenix Contact är kompatibelt med alla nuvarande SPE-standarder. Den är klassificerad för att ge en strömförsörjning på upp till 72 V vid 4 A. (Bildkälla: Phoenix Contact)

M8-2 insatsen har ett styrstift för att förhindra felaktiga anslutningar. Uttagen har två guldpläterade anslutningar i kopparlegering som håller kontaktresistansen till ett minimum, vilket medför att den kan leverera PoDL upp till 70 V vid 4 A. M8-höljet är tillverkat av mässing med nickelplätering för att ge beständighet mot korrosion.

1163797 stöder alla nuvarande specifikationer för SPE-anslutningar: 802.3cg/bu/bw/bp. Den är tillverkad för att tåla tuffa miljöer, med antalet i- och urkopplingscykler specificerade till mer än 750, är klassificerad till IP20, har ett driftstemperaturområde på -40 °C till + 85 °C och har måtten 5 x 8,35 x 14,2 mm. Det gör den lämplig för lödmontering på datorer med ett kretskort, såväl som i programmerbara logiska styrenheter (PLC), där kablar ibland byts ut. Exempel på scenarier där detta kan vara användbart inkluderar tillverkningsanläggningar som kan behöva konfigureras om för montering av olika produkter.

SPE-kablar för IIoT

För korta SPE-anslutningar levererar Phoenix Contact, SPE-kabeln 1183808 på 2 m. Kabeln har stöd för PoDL upp till 72 V vid 4 A och har två SPE-uttag vid varje kabelavslutning (figur 3). Där konventionellt Ethernet har kontakterna i kabeländarna och uttagen i slutpunkterna, är SPE-hårdvaran omvänd.

Kabelmanteln är gjord av polyuretan som tål ultraviolett ljus (UV), nötning och de flesta lösningsmedel. Kablar av polyuretan är även tåliga mot krympning och sprickor som orsakas av exponering för solljus och vatten, likväl som misshandel som ofta sker i industriella miljöer. Kabeln är skyddad från elektromagnetiska störningar (EM) med en förtennad flätad kopparskärm som omges av en plastbelagd aluminiumfolie. Det gör den lämplig för miljöer med mycket elektriska störningar, särskilt när den buntas ihop med andra höghastighetskablar.

Figur 3: SPE-kabeln 1183808 från Phoenix Contact är 2 m lång och har en skyddande mantel av polyuretan. Den är EMI-skyddad och har stöd för datahastigheter på upp till 1000 Mbits/s. (Bildkälla: Phoenix Contact)

Kabelns uttag är tillverkade av en kopparlegering och är kompatibel med 802.3cg och en dataöverföring på 10 Mbit/s, liksom hastigheter i 100 Mbit/s för 802.3bw. Den högsta överföringshastigheten är 1000 Mbit/s för 802.3bp vilket gör den lämplig inte bara för sensorer utan även för HD-videoutrustning för övervakning.

Även om kabelmanteln är immun mot vatten och damm, samt är flamskyddad enligt UL94V0, är den monterade kabeln klassificerad enligt IP20 på grund av kabelanslutningarna. Respektive anslutning har en låsklämma för att ansluta kabeln på ett säkert sätt till uttagets slutpunkt. Låsmekanismen är en del av standarden för SPE-kontakter för att förhindra oavsiktlig urkoppling i stökiga miljöer. Kabeln är märkt för användning i -40 °C till + 85 °C drift och tål upp till 750 i- och urkopplingscykler. Den är lämplig för inomhusbruk i korskopplingspaneler, likväl som för anslutningar mellan IIoT-sensorer och SPE-kopplingsdosor.

För tillämpningar som kräver en längre kabel erbjuder Phoenix Contact, SPE-kabeln 1183811 på 5 m, med samma specifikationer som 1183808.

Sammanfattning

Övergången till SPE i tillämpningar som IIoT, inom fordonsindustrin och i företaget gör det lättare för konstruktörer att möta behovet av lösningar för höghastighetsanslutningar som är lättare, mindre och enklare att använda samtidigt som de sänker kostnaderna. Konstruktörer måste dock iaktta försiktighet när de väljer de kontakter och kablar de använder vid distribution av SPE-baserade nätverk för att säkerställa en tillförlitlig anslutning i fysiskt hårda miljöer och i miljöer med mycket elektriska störningar.

Som visat finns det tillgängliga anslutningsvarianter som gör det möjligt för företagssystem klassificerade enligt IP20 att enkelt ansluta till IP67-kompatibla industriella styrsystem med äkta M8 SPE-kontakter, vilket ger en sömlös anslutning och strömförsörjning i båda miljöerna. Med den extra kapaciteten hos PoDL gör SPE-anslutningar det enkelt att tillhandahålla både ström och data till IIoT-slutpunkter i både företagsmiljöer och industriella miljöer utan att förlägga extra kablar, vilket förenklar och effektiviserar distributionen.