Uppkopplade enheter med avancerade avkännings- och kontrollfunktioner blir allt vanligare i industriella applikationer, vilket ger upphov till konceptet industriell sammankoppling under deras sammankoppling. Oavsett om det är trådbundet eller trådlöst, har förbättrad automatiseringseffektivitet blivit en högsta prioritet. Den höga tätheten av avkännings- och kontrollanordningar leder naturligtvis till ökad sammankoppling. Även om industriella trådlösa nätverk kan hantera vissa sammankopplingsutmaningar i viss utsträckning, kräver de vanligtvis någon form av fysisk anslutning, och trådlösa nätverk är inte lämpliga för alla industriella miljöer.
The Rise of Single-Pair Ethernet (SPE) i industriella scenarier
I den ovan nämnda sammankopplingen kan en Ethernet-anslutning kräva flera ledningar för snabbt 100 Mbps Ethernet eller till och med Gbps Ethernet. Nackdelar som komplexitet, höga kostnader och oförmågan att säkerställa ett snabbt utbyte av information som samlas in av sensorer uppfyller inte förväntningarna på industriell sammankoppling.
Single-pair Ethernet-teknik är en anslutningsteknik som kan uppnå en hastighet på 1 Gb/s över korta avstånd och möjliggöra två-kommunikation. Inledningsvis användes denna anslutningsteknik i stor utsträckning i biltillämpningar. Enligt överföringsstandarden IEEE 802.3 har enkel-Ethernet-teknik integrerats i nya-generationsfordon, som ersätter CAN och andra bussystem. Denna teknik kan förena kontroll, kommunikation och olika säkerhetsfunktioner för att fungera över Ethernet, vilket exakt möter behoven för industriell automationssammankoppling.
Den mest direkta drivkraften för att introducera enkelt-par Ethernet i industriella scenarier är att möta efterfrågan på effektiv tvåvägskommunikation i applikationer. Anslutningshastigheten på 1 Gb/s möjliggör säkra-realtidsanslutningar från enheter till infrastruktur och från enheter till molnet. Utöver kostnaden och användarvänligheten, gör förbättringen av sensordataanalys och accelerationen av felsvar enbart det mycket attraktivt.
Vilka är fördelarna med Ethernet med enkel-par?
För det första, det finns inget behov av att jämföra ett-par Ethernet med trådlösa anslutningar, som saknar universalitet i industriella scenarier. Jämfört med andra trådbundna anslutningar, tillhandahåller enkel- Ethernet Power over Data Line (PoDL) i samma kompakta gränssnitt, med endast två kablar för att överföra både data och ström. Traditionella trådbundna anslutningar använder fyra kablar. Färre kablar innebär lägre kostnader och större frihet för mekanisk utrustning. Ur ett mer kritiskt perspektiv, innebär en minskning av kopparhalten (Cu) i kablar också att man uppnår snabbare överföring med mindre energi? I detta avseende är kostnads-nyttoanalysen av enkel-Ethernet utan tvekan fördelaktig.
SPE Technology, SPE Alliance
Som nämnts kan enkelt-par Ethernet nå en hastighet på 1 Gb/s över korta avstånd, med en kabellängd på upp till 1000 meter vid en överföringshastighet på 10 MB/s, med en bandbredd på 600 MHz för datakommunikation. Dess kommunikationsfördelar är uppenbara och behöver inte fördjupas ytterligare. Det är värt att notera att den ena terminalen i en enkel- Ethernet-anslutning används för 1 Gbps/600 MHz dataöverföring, och den andra stöder strömöverföring med en ström på upp till 8A. Denna blandade anslutning av data och ström måste vara fysiskt skärmad och separerad för att undvika störningar mellan ström- och datasignaler.
Sammantaget minskar denna teknik den totala storleken på kontakter och minimerar arbetsbelastningen vid många terminaler. Enkelt-par Ethernet tar ner Ethernet till sensor-aktuatornivån och kopplar sensorer och ställdon direkt till automationssystem eller molnet, vilket ger betydande hjälp med industriell sammankoppling.
PoDL-utmaningen med Ethernet med ett-par
Det tidigare omnämnandet av Power over Data Line (PoDL) i kompakta gränssnitt tar också upp ineffektiviteten med långa-kraftöverföringar. För närvarande kan vanliga enstaka-Ethernet-dataanslutningar nå 50 W, och dataanslutningar med blandad effekt-kan leverera upp till 400 W vid 48V. Här uppstår ett problem: höga effektnivåer kan få PoDL att avvika från standarder. De flesta elektriska enheter kan acceptera ett spänningsfall på 10 %, medan PoDL tillåter maximalt 20 %. I effekttester på PoDL-kablar kan en 40-meters kabellängd bringa effekten nära 200W under detta tillstånd, och när kabeln är kortare än 20 meter når den höga effektnivån 400W. För att undvika att PoDL avviker från standarder används normalt inte detta maximala värde.
Genom att använda PoDL kombineras data- och strömkablar till samma ledning. Även om den här inställningen möjliggör samtidig överföring av data och effekt, har den en nackdel: den ställer strikta krav på buller och förändringshastigheten i effektnivåer, eftersom annars dataöverföringen kommer att påverkas. Därför är det särskilt viktigt att använda bra filterkretsar för att undertrycka sådant brus i industriella miljöer, särskilt för brus som genereras i det lägre megahertzområdet (se figuren nedan).
Sammanfattning
Enkelt-par Ethernet ger en möjlighet till protokollstandardisering i hela det industriella nätverket. Varför? Med tanke på det enorma antalet sensorer och ställdon i industriell utrustning, medan Ethernet är en standard för många industriella nätverk, är den industriella verkligheten fylld av olika system och en mängd traditionella gateways. Rollen av enkel-Ethernet för att överbrygga Ethernet med andra system har väckt mer uppmärksamhet från branschen än dess prestandafördelar enbart.