Новости

Single Pair Ethernet: наступает ли конец промышленного RJ45?

Такие мегатренды, как промышленный Интернет вещей (IIoT) и Industry 4.0, определяют новые стандарты подключения для промышленной автоматизации и умных заводов. Внедрение технологий IoT в промышленных условиях предполагает сенсорные узлы, которые не требуют большой мощности или пропускной способности, но требуют надежной и эффективной коммуникации. Программы для промышленности 4.0 на подключенной фабрике также нуждаются в быстрой и надежной передаче – в некоторых случаях близкой к связи в режиме реального времени или, по крайней мере, гарантированной передачи в течение определенного временного периода.

Еще одна тенденция – распространение протокола Ethernet на новые области применения, включая транспорт (поезда, трамваи и самолеты). Автомобильная промышленность перестроилась на Ethernet, чтобы заменить старые шинные системы Controller Area Network (CAN) на технологию, которая может обеспечить более высокую скорость передачи данных для передовых систем помощи водителям (ADAS) и информационных развлечений. В этом требовательном применении однопарный Ethernet (SPE), используя только одну витую пару медных проводов, обеспечивает скорость передачи данных, необходимую для кабелей с весом, аналогичную весу кабелей CAN.

Сочетание требований современных, подключенных заводов и тенденции к внедрению Ethernet в новые сферы означает, что Ethernet по одной витой паре является ведущим претендентом на будущее промышленных коммуникационных приложений.

Поскольку SPE использует только два провода, его кабели простые, дешевые и легкие в монтаже. Существует компромисс между длиной и скоростью передачи данных, но автомобильная промышленность использует скорость передачи до 1 Гбит/секунду в этой среде, что более чем достаточно для большинства промышленных применений.

«Развитие Ethernet за последние 30 лет было сосредоточено на соединении людей. С SPE впервые разработка Ethernet ориентирована также на соединение вещей», – говорит Эрик Леийтенс, руководитель отдела управления продуктами и управляющий директор TE Connectivity, имея в виду приложения с низкой скоростью передачи данных, для которых требуются небольшие, легкие кабели. «Стоимость за узел, простота установки, гибкая проводка только с двумя проводами и длинные расстояния для меньшей пропускной способности – это явное преимущество технологии, которая сделает интеграцию всех устройств в разумную сеть экономически и технически возможной».


Принятие технологии Ethernet позволило бы общаться на базе Интернет-протокола (IP) от облака к самому сенсорному узлу для интегрированных отраслевых приложений. В долгосрочной перспективе этот единственный протокол может заменить или хотя бы рационализировать некоторые из многих протоколов Fieldbus, которые сейчас используются. Переход в протокол, основанный на стандартах, улучшит совместимость, то есть больше не будет тратиться время на перевод между протоколами для различных устройств. Ethernet также упростит настройку параметров устройства, инициализацию и программирование.

"SPE набирает силу в отраслях, примыкающих [к умным заводам], таким как транспорт", – говорит Леийтенс. «Большой успех в этих отраслях обеспечит доступность этой технологии на ближайшие несколько десятилетий. Это делает технологию интересной для промышленных рынков. С помощью этой технологии станет возможным соединить низшие уровни пирамиды автоматизации. Мы ожидаем, что первое использование в области вычислительных технологий и конкретных приложений получит больше пользы от этой технологии».

Кевин Кенхем, менеджер по продуктам и приложениям компании Harting, также видит, что SPE приобретает большое значение в технологии автоматизации, где, по его словам, это «в дальнейшем развивается целенаправленно». Он добавил, что «простота технологии и связанное с этим уменьшение веса, потребности в пространстве и усилиях по монтажу» указывают на ее распространения «в рамках технологии автоматизации, железнодорожной отрасли и промышленности в целом».

СПЕЦИФИКАЦИЯ
Сегодня для применения в автомобилях используются два типа однопарного Ethernet. Для автомобилей 100Base-T1 направляется по неэкранированному кабелю с витой парой (UTP), чтобы уменьшить вес; его дальность – 15 метров (IEEE 802.3bw). Для более жесткой среды электромагнитной совместимости (EMC) грузовых автомобилей и автобусов используется 1000Base-T1 с экранированными кабелями витой пары (STP), а дальность передачи повышается до 40 м (IEEE 802.3bp). Промышленные программы используют новый вариант, 10Base-T1 (10 Мбит/с). Рабочая группа IEEE 802.3cg также работает над двумя типами: 10Base-T1S будет иметь диапазон 15 м, а 10Base-T1L – дальность действия 1000 м. Чтобы достичь большего диапазона, затухание уменьшается при работе на меньшей частоте; T1L использует приемник на 20 МГц, по сравнению с 200 МГц для T1S. Оба предлагают возможность передачи питания (PoDL) по проводам данных (IEEE 802.3bu).

Как и для любой новой технологии, необходимо будет разработать новую экосистему микросхем, кабелей, разъемов и тестовых решений физического уровня (PHY). Что касается соединителей, международный процесс отбора под руководством Международной электротехнической комиссии (IEC) принял решение о двух дизайнах конструкций для 10Base-T1. Первый, основанный на дизайне CommScope, предназначен для автоматизации построения программ (вдохновленный IEC 63171-1). Второй – для промышленных применений и базируется на предложении компании Harting (IEC 63171-6).

СТАНДАРТНИЙ ВИД
Выбранный промышленный дизайн основан на дизайне Harting T1. «Промышленный разъем Harting T1 был концептуально разработан для большей пропускной способности, для скорости передачи данных от 10 Мбит/с до гигабитного SPE, а также для требовательных промышленных сред в интегрированной отрасли», – говорит Кенхем. «Это означает, что он может предложить необходимую инфраструктуру для всей экосистемы IIoT, с пакетами решений для подключения к облачным или краевым вычислительным устройствам». Новые промышленные соединители существенно отличаются от автомобильных соединителей SPE. «Хотя на вид они похожи, продукт Harting был разработан таким образом, чтобы он был более прочным для промышленных сред», – говорит Кенхем. «Сюда входит металлическая система блокировки, изготовленная из нержавеющей стали. В автомобильной среде требования не такие строгие, поэтому чаще применяются фиксаторы трения или пластиковые защелки. Это также позволяет уменьшить потенциальные расходы на транспортные средства массового производства».

Двухконтактный дизайн SPE Harting разработан таким образом, чтобы он включался в разъемы для диапазона уровней MICE (MICE принадлежит к уровню механической ударной/вибрационной устойчивости, защиты от вмешательства, химической стойкости и совместимости с ЭМС). Уровень MICE 1 соответствует уровню IP20, подходит для стандартных офисных условий; MICE 2 предназначен для прочных деталей с дополнительной защитой для производственного уровня. MICE 3, высокий уровень, относится к полностью защищенным разъемам для внешних приложений и для суровых промышленных условий. «Система подключения [Harting's SPE] может быть вставлена в различные корпуса соединителей, начиная от IP20 до IP65/67 экологически защищенных приложений», – говорит Кенхем. «Конструкция такова, что она может быть интегрирована в типично используемые интерфейсы на рынке современного рынка автоматизации; к ним можно отнести форматы M8 и M12. Для получения высокого рейтинга MICE, контактная часть может быть встроена в продукты, полностью закрытые M8 или M12. В дальнейшем они будут предложены как M8/M12 версии push/pull для быстрого соединения».

ЦЕПОЧКА ПОСТАВКИ КОННЕКТОРОВ
Хотя Harting разрабатывает ассортимент продукции для промышленных SPE, интеллектуальная собственность по дизайну T1 является свободно доступной, чтобы другие компании могли начать разрабатывать собственные совместимы разъемы. Компании все еще смогут дифференцировать свою продукцию на основе собственных нововведений по соединению кабеля и разъема, а также для корпуса разъема. Результатом станет экосистема продуктов с разной скоростью, целостностью, прочностью, размером и стоимостью.

Harting уже объявил об официальном сотрудничестве с TE Connectivity и Hirose. «TE работает в области SPE и имеет решения на рынке в течение четырех лет; мы видим использование во многих различных программах», – говорит Леийтенс от TE. «TE промышленные разъемы SPE гарантируют полное соответствие стандарту IEC 63171-6, предлагая бесперебойное функционирование с компонентами экосистемы SPE. Это обеспечит инфраструктуру для промышленного IoT. Стандарт IEC предлагает гибкие решения для сред IP20 и IP67, включая различные варианты питания. Система будет гибкой и масштабируемой для различных потребностей в применении».

Будет ли проект TE иметь любое сходство со своими автомобильными разъемами SPE? «Промышленные разъемы SPE будут использовать те же технологии ТЕ, предлагая схожие классы надежности и производительности», – сказал Леийтенс. «Они будут сосредоточены на подключении устройства к устройству, с гибкостью в технологиях подключения и энергетических решениях».

БОЛЬШЕ НИКАКОГО RJ45?
Означает ли появление однопарного Ethernet то, что время для стандартного промышленного разъема RJ45 уже прошло? Разъём-«рабочая лошадь» 8P8C для многопарных связей Ethernet был изготовлен водонепроницаемым, защищенным от пыли и вибрации и упакован в разные корпуса, что подходит для многих промышленных применений. Леийтенс с TE сомневается, что вскоре мы увидим конец этого популярного разъема. «Преимущества однопарного Ethernet заключаются в основном в низших уровнях пирамиды автоматизации для простой установки, небольших и очень надежных соединений даже в самых суровых условиях», – сказал он. «RJ45 продолжает использоваться, особенно на более высоком уровне пирамиды автоматизации. Благодаря агрегированию данных потребуется большая пропускная способность, особенно для подключения к системам планирования ресурсов предприятия и системам выполнения производственных процессов».

В конце концов, мы можем и попрощаемся с промышленным RJ45, говорит Карт с Harting, но если это произойдет, то где позже в будущем. «Промышленность всегда настаивает на том, чтобы конструкции были меньше, экономичнее и легче по весу», – говорит Кенхем. «SPE [разъем] может предложить аналогичные эксплуатационные характеристики RJ45, и когда к этому добавятся производители чипов, как это имеет место в автомобильной промышленности, SPE может быть приемлемой альтернативой. «Благодаря миллиардам RJ45 соединений по всему миру сегодня, его смерть может занять длительное время, но, возможно, однажды это произойдет – вы никогда не знаете».
Статьи