Single Pair Ethernet

De netwerkinfrastructuur voor Industrie 4.0

Het potentieel van Single Pair Ethernet is enorm en experts beschouwen het als de volgende generatie communicatiearchitectuur in automatisering. Oorspronkelijk ontwikkeld voor automotive toepassingen, belooft het niets minder dan een continue verbinding van de sensor naar de cloud. En dit is in vrijwel elke toepassing het geval, of het nu in de industrie, logistiek, gebouwen of waar gegevens worden gegenereerd.

Inspanningen om Ethernet te gebruiken als een veldbusalternatief doken eind jaren negentig voor het eerst op. Een naadloos Ethernet-netwerk van de besturingseenheid tot de IT-wereld biedt enorme voordelen. Zo kan het vulniveau van een tank direct worden gemeld aan zowel de besturingseenheid als de inkoopafdeling, zonder dat er gateways of een dubbele infrastructuur nodig zijn voor de besturingseenheid en IT. De introductie van Industrial Ethernet en de gedefinieerde reactietijd hebben de IT-standaard veroverd, ook voor tijdkritische applicaties. Ethernet bleef echter een data-snelweg die steeds sneller en breder werd. Voor eenvoudige sensoren is de technologie te duur en te groot gedimensioneerd. De huidige RJ45-connectoren en kabels zijn niet ideaal voor industrieel gebruik. Complexe inkapseling tot aan de sensor is te duur en door ruimtegebrek vaak onhaalbaar. Een ander obstakel is de maximale kabellengte van 100 m, evenals de noodzaak voor bekabeling met twee of vier paren. Ondersteuning wordt geleverd in de vorm van een Ethernet-standaard die niet de hoge gegevensoverdrachtsnelheden van de IT-wereld hoeft te bieden, maar toch lange kabellengtes combineert met een compact ontwerp en eenvoudige en robuuste bekabeling: Single Pair Ethernet of SPE. Op het eerste gezicht is het een neerwaartse uitbreiding van de bestaande Ethernet-standaarden. Met lagere gegevensoverdrachtsnelheden is het in strijd met de constante hogere eisen in de IT-wereld.

Voordelen van SPE-technologie
In plaats van twee of vier paar draden heeft SPE slechts één paar draden nodig. De aanzet voor deze ontwikkeling kwam van bedradingssystemen in de auto-industrie, waar de bekabeling momenteel een groot deel van het voertuiggewicht uitmaakt. Dit vereist een infrastructuur die met zo min mogelijk kabels hoge prestaties kan leveren. Er zijn vergelijkbare verwachtingen binnen de industrie aangezien het aantal intelligente apparaten in de fabriek toeneemt, maar de hoeveelheid beschikbare ruimte niet – in feite is het precies het tegenovergestelde. Omdat er steeds meer sensoren in machines en systemen moeten worden geïntegreerd, moet de bekabeling daarom zijn ontworpen voor industrieel gebruik en zowel compact als eenvoudig zijn. Bovendien worden ze geïnstalleerd op extreme plaatsen zoals robotarmen, waar mechanische flexibiliteit en gewicht een belangrijke rol spelen, d.w.z. lichtgewicht kabels met een kleine buitendiameter en lage buigradii zijn essentieel.
De fysieke eigenschappen en overdrachtssnelheden worden internationaal gedefinieerd door verschillende normalisatie-instellingen.  Aan deze nieuwe Ethernet-versies wordt ook veel belangstelling besteed in automatiseringstechnologie, aangezien SPE voldoet aan de eisen voor industriële communicatie in het digitaliseringstijdperk. De overdrachtssnelheden van 10 Mbit/s met een overdrachtslengte van 1.000 m tot 1 Gbit/s met een overdrachtslengte van 40 m tot 100 m zijn volledig geschikt, zelfs voor geavanceerde sensoren. Scanners en camera’s voor monitoring of voor het detecteren van het type en de locatie van een component kunnen ook continu via Ethernet in het netwerk worden geïntegreerd. Door de haalbare reactietijden zijn zelfs TSN-toepassingen (Time-Sensitive Networking) mogelijk. Een ander groot voordeel van SPE is de mogelijkheid om de aangesloten randapparatuur via PoDL (Power over Data Line met een vermogen van 60 W) van stroom te voorzien. Bovendien opent PoDL mogelijkheden voor SPE in potentieel explosieve omgevingen. Dit betekent dat SPE ook aantrekkelijk is voor procestechnologie. Er zijn dus vrijwel geen toepassingen waarvoor deze standaard geen nieuwe impuls geeft. SPE voldoet dus aan de fundamentele eisen van IoT- en Industry 4.0-applicaties.

Standaardisatie
Op basis van deze voordelen hebben gerenommeerde experts uit de connectorindustrie, automatiseringstechnologie en de kabelindustrie de krachten gebundeld om internationale standaarden voor deze technologie te ontwikkelen. Dit toont duidelijk het belang van normalisatie aan, aangezien interoperabiliteit, en dus het succes op lange termijn van SPE, alleen kan worden gegarandeerd door middel van internationale normen.
Weidmüller ondersteunt connectorontwikkeling voor de IEC 63171-2-variant voor IP20-omgevingen en de IEC 63171-5-variant voor IP67-omgevingen. Met een focus op doorsneden in het bereik AWG 26 – AWG 22 kan een uiterst gebruiksvriendelijk portfolio worden opgebouwd – met M8-connectoren. Dit geldt zowel voor vrije connectoren op de kabel als voor de vaste variant op de behuizing.
Een volgend voordeel van de Weidmüller-oplossing zijn de aanzienlijk verbeterde HF-prestaties in vergelijking met concurrerende producten, wat betekent dat de bekabeling in de toekomst ook aan nog hogere prestatie-eisen zal voldoen.
Een ander voordeel van de door Weidmüller ontwikkelde oplossing is dat de verbindingssystemen volgens IEC 63171-2 (IP20-omgeving) en IEC 63171-5 (IP-67-omgeving) dezelfde opbouw hebben. Beide zijn dus vrij te combineren.
Op basis van de normen hebben de ontwikkelaars de belangrijkste eigenschappen vastgesteld voor SPE-connectoren die op machineniveau worden gebruikt om aan alle vormen van industriële toepassing te voldoen. Aanvankelijk is het productgamma breed, hoewel dit niet een overvloed aan verschillende componenten betekent, maar componenten die zo veelzijdig mogelijk te gebruiken zijn.
Een ander punt is de onbeperkte geschiktheid voor de industrie, die een robuust vergrendelingsmechanisme omvat zoals het geval is met RJ45-connectoren. De uittrekkracht is minimaal 50 N. Ook moeten alle componenten ook eenvoudig in het veld te monteren zijn. Typische essentiële technische gegevens die werden gedefinieerd, waren bekabeling in het AWG 26 – AWG 22-bereik, een industriële diëlektrische sterkte van 2,25 kV DC. Ook bij extreme toepassingen op machineniveau moet de elektrische en mechanische aansluiting gegarandeerd zijn. Een flexietest volgens IEC 60998-2-X levert hiervoor het bewijs. Als onderdeel van deze test wordt de kabel niet alleen getest op axiale belasting, hij wordt ook verticaal belast. Dit simuleert de belastingen waaraan de kabel bijvoorbeeld wordt blootgesteld op een robotarm.
Omdat er in veel Industry 4.0-toepassingen vrijwel geen plaats is voor bekabeling, moet het ontwerp compact blijven. Met een spoed van 7,62 mm is de door Weidmüller ontwikkelde versie slechts half zo groot als een RJ45-connector. Dit betekent dat er twee Single Pair Ethernet-poorten kunnen worden geïnstalleerd in de ruimte die wordt ingenomen door een RJ45 PCB-connector, waardoor de poortdichtheid wordt verdubbeld.
Een volgende groep eisen kan worden samengevat onder Performance/Future Sustainability. Deze punten gaan samen omdat ze flexibiliteit in termen van snellere overdrachtssnelheden bij verdere ontwikkeling garanderen en ook de uitbreiding van bestaande installaties mogelijk maken. De connector biedt daarom in alle opzichten investeringszekerheid. Dit wordt gegarandeerd door onder meer hoge TCL (Transverse Conversion Loss) en goede RL (Return Loss). Het retourverlies beschrijft het impedantiegedrag tussen de connector en de socket. Een hoog retourverlies zorgt voor een optimale gegevensoverdracht naar de interface. De TCL beschrijft de connectorsymmetrie. Optimale symmetrie minimaliseert externe interferentie en is daarom een belangrijk kenmerk voor robuuste industriële omgevingen. De connector is ook geschikt voor gebruik in Multi-Gig-toepassingen (2,5, 5, 10 Gigabit), omdat hij is ontworpen voor gegevensoverdrachtsnelheden tot 4,0 GHz. Deze opbouw biedt dus een oplossing voor overdrachtssnelheden van 10 Mbit tot 10 Gigabit, van sensor tot cloud.

Vierkameroplossing
Naast de connector voor een enkele kabel zoals hiervoor beschreven, is Weidmüller ook van plan om een versie met vier kamers op de markt te brengen die kan worden gebruikt om vier SPE-aansluitingen te realiseren via één connector (afbeelding 1).

De plaatsing van contacten zorgt voor ideale elektrische eigenschappen. De contactparen staan loodrecht op elkaar en minimaliseren interferentie tussen de individuele kabels. Het extra afgeschermde kruis vermindert de resterende interferentie. Dankzij dit extreem compacte ontwerp zijn vier Single Pair Ethernet-poorten mogelijk in de installatieruimte van een RJ45-connector.

De juiste kabel
Standaardisatie gaat natuurlijk ook over bekabeling. Fabrikanten ontwikkelen momenteel lichtere, dunnere en kosteneffectievere kabels waarmee meer Ethernet-kanalen in bestaande kabellijnen mogelijk zijn, terwijl PoDL wordt ondersteund en gegevens en stroom over afstanden tot 1.000 m kunnen worden overgedragen. Ze onderscheiden zich ook door een grotere bandbreedte en robuustheid tegen elektromagnetische interferentie. Dit zal in de toekomst een bekabeling en netwerkstandaard mogelijk maken die kan communiceren met elke sensor of actuator terwijl deze van stroom wordt voorzien. Net als de connectoren moeten ook de kabels robuust genoeg zijn voor industrieel gebruik. Typische voorbeelden zijn een kleinere buigradius voor installaties waar er een tekort aan ruimte is, evenals de eerder genoemde flexietest.

Impulsen uit de auto-industrie
Laten we tot slot eens kijken naar de laatste ontwikkelingen uit de auto-industrie, de oorspronkelijke initiatiefnemer van SPE. Deze sector stimuleert ook de normalisatie. Ethernet-systemen worden in toenemende mate geïnstalleerd in de huidige voertuiggeneraties. Verdere innovaties op het gebied van rijhulpsystemen, zoals Lidar, beeldschermen met hoge resolutie, autonoom rijden, 4K-camera’s en infotainment kunnen alleen worden gerealiseerd door netwerkbesturingen en sensoren. De ontwikkeling van het automotive Ethernet heeft geresulteerd in twee officiële IEEE-standaarden: 100BASE-T1 (100 Mbit/s gebaseerd op BroadR-Reach-technologie) en 1000BASE-T1 (1 Gbit/s). In wezen was dit gericht op het definiëren van grenswaarden voor de connector- en kabelcomponenten, evenals bijbehorende meetmethoden op basis van de vereisten van het hele kanaal dat was gedefinieerd in de IEEE-standaard.

Auteur: Simon Seereiner, Weidmüller