Ethernet по една усукана двойка (Single Pair Ethernet) - особености, елементна база и приложения

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 6/2021 • 17.09.2021

Ethernet по една усукана двойка (Single Pair Ethernet) - особености, елементна база и приложения

 

  • Single Pair Ethernet започва да се прилага в автомобилната индустрия с цел да се заменят хетерогенните мрежи като LIN, CAN, MOST с една-единствена – Еthernet

  •  За постигане на високи скорости и гарантиране на всички параметри, описани в стандартите за SPE, се използват специализирани конектори

  •  SPE дава възможности и за комбиниран пренос на захранване и данни – (PoDL) – до 500 mW за взривоопасни зони и 60 W в нормални условия според вида на кабела

 

Димитър Колев

В индустрията се използват различни аналогови и цифрови стандарти за жична комуникация и захранване на единични или множество сензори и изпълнителни устройства. Последният стандарт в Табл.1 – 10BASE-T1L/T1S или IEEE802.3sg-2019 всъщност е и най-новият, като данните се пренасят чрез Ethernet протокол, но само през една усукана двойка. Възможно е комбинирано захранване, подобно на PoE (Power over Ethernet), като тук то се нарича PoDL (Power over Data Lines).

 



Еthernet е разработен в началото на 1970 г., от Робърт Меткалф, инженер в развойния център на Xerox в Пало Алто, с цел свързване на компютри в LAN и WAN, или както е написано в патента "многоточкова комуникационна система за данни с детекция на колизии". Първата Еthernet мрежа работи с физически носител коаксиален кабел и скорост 2,5 Mb/s. Около 1980 г. стават възможни 10 Mb/s, след 1987 г. са стандартизирани RJ45/8P8C конекторът и кабелът с усукани двойки. През 1990 г. скоростта нараства до 100 Mb/s, а днес е 1 Gb/s и много пъти в повече. Разбира се, не забравяме безжичните и оптични мрежи, които допълват и се конкурират активно с класическия жичен Еthernet.

През 1980 г. възниква и друг тип мрежа – Fieldbus, насочена към индустриални приложения. Докато Еthernet се фокусира върху скоростта на комуникация, то Fieldbus мрежите са предназначени за разпределено управление в реално време. С годините Еthernet се превръща в много по-популярна технология в комерсиалния, а напоследък и в индустриалния свят (Industrial Ethernet, появил се в началото на 21-ви век). Комбинираното захранване PoE днес вече има своята трета генерация и може да доставя до 100 W мощност през линиите за данни.

През 2010 г. се появява разновидност на индустриалния Еthernet, в която се използва като физически носител само една усукана двойка – SPE (Single Pair Ethernet), за разлика от класическите комерсиални или индустриални Ethernet мрежи, които използват две или четири усукани двойки (MPE – Multi Pair Ethernet) – фиг. 1.

 

 

За дълъг период от време Fieldbus технологиите са предпочитани в индустриалната и сградната автоматизация, като сред основните причини за това е, че сигналите и данните могат да се предават по проста 2 – 3-проводна линия и използват конектори, кабели, и хардуерна част, които са проектирани и произведени с оглед да издържат на тежки и агресивни работни условия. Еthernet просто не е достатъчно пригоден и защитен, за да работи в подобна среда, а когато се появяват индустриални Еthernet решения, повечето потребители и производители вече работят със съществуващите стандарти и не виждат директна причина за използване на нова технология, която освен това е и по-скъпа. Основните условия, на които една такава индустриална система трябва да издържа, са:

  • Екстремно ниски/високи температури;

  • Агресивни химикали;

  • Висока влажност;

  • Електромагнитни смущения;

  • Вибрации;

  • Ако доставя захранване по комуникационните линии, то трябва да бъде безопасно във взривоопасна среда.

 

В момента сред най-разпространените Fieldbus мрежи са PROFIBUS, CC-Link, Modbus-RTU, DeviceNet и др., а сред най-разпространените базирани на Еthernet индустриални мрежи са PROFINET, EtherCAT, Powerlink, Modbus-TCP.

В днешни дни комерсиалният и индустриален Еthernet е утвърдена технология. Защо тогава се появява нужда от SPE?

Възможно ли е да се използва кабел с по-малко проводници, съответно по-ниско тегло и в същото време да се работи на по-големи разстояния? Да се използват още по-компактни конектори (от RJ45, 8P8C и всичките му разновидности)? Тези въпроси, както и необходимостта от промяна идват в началото най-вече от автомобилната индустрия. Там дължината на вътрешното окабеляване в превозните средства може да надхвърли километър, а наличното пространство е ограничено, като в същото време се търси и по-ниска цена. Отговорът идва със стандарта SPE, който започва да се използва в автомобилната индустрия с цел да се заменят хетерогенните мрежи като LIN, CAN, MOST с една-единствена – Еthernet. SPE e включен в стандарти IEEE Std 802.3bw-2015, 100 Mb/s, и IEEE Std 802.3bp-2016, 1000 Mb/s, които са и основата за последния IEEE Std 802.3cg-2019 10BASE-T1L / T1S, който вероятно ще намери най-голямо приложение в индустрията.

Конкретни примери за приложение на SPE могат да се посочат в сградната автоматизация (видеонаблюдение, алармени системи, климатизация, осветителни системи, асансьори) и индустриална автоматизация (обработващи машини, роботи, конвейери, защитни бариери и др.), така и в следенето и управлението на процеси (сензори и изпълнителни елементи в нефтопреработвателната и химическата индустрия).

Предимствата на SPE спрямо класическия Еthernet и традиционните индустриални мрежи са следните:

  • По-тънки и леки кабели, които може да спестят 50% от теглото и необходимото пространство;

  • По-компактни конектори (вертикалните PCB конектори може да са 2 пъти по-малки от класическо RJ45 8P8C гнездо);

  • По-бърза и лесна инсталация или използване на вече съществуващи инсталации (един стандартен Еthernet кабел може да транспортира 4 SPE канала);

  • Използване на по-малко мед и пластмаса;

  • Обхват на всеки сегмент до 2000 м;

  • Изисква се само PHY хардуерен конвертор, а откъм софтуерни и комуникационни протоколи SPE не се отличава от класическия Еthernet;

  • Не са необходими специални драйвери и софтуер, нов TCP/IP стек и т.н. – т.е. комуникацията със SPE е напълно прозрачна;

  • При подмяна на по-стари и специализирани датчици със специализирани интерфейси е възможна загуба на опит и знание, както и възникване на трудности при калибриране, захранване и т.н. SPE дава възможност за стандартна, добре описана, бърза, двупосочна комуникация със сензори и изпълнителни устройства;

  • Комбиниран пренос на захранване и данни (Power over Data Line – PoDL) – до 500 mW за взривоопасни зони и 60 W в нормални условия според вида на кабела. Хибридни решения (с допълнителна захранваща двойка) могат да доставят 100 W при 24 V и 400 W при 48 V, като използват съществуващата инфраструктура.

 

Стандартите

които описват SPE/Т1, са одобрени преди няколко години и прoдължават да се развиват. IEEE Std. 802.3 cg/bw/bp описва физически носител, протокол, топология, архитектура и др. IEC 63171 е стандарт за съоветните конектори и кабели/физически носители.

IEEE Std 802.3cg-2019 10BASE-T1L/T1S е за индустриални и автомобилни приложения, скорост до 10 Mb/s през единична усукана двойка. T1L е за дълги разстояния (1 км+), а T1S за къси разстояния (25 м+). Т1S поддържа до 8 устройства към един сегмент.

IEEE Std 802.3bw-2015 100BASE-T1 е за автомобилни приложения, скорост до 100 Mb/s през единична усукана двойка с максимална дължина на сегмента 15 м.

IEEE Std 802.3bp-2016: 1000BASE-T1 – Тype A е за автомобилни и индустриални приложения, скорост до 1 Gb/s през единична усукана двойка с максимална дължина на сегмента 15 м. 1000BASE-T1 – Type B е за автоматизация, индустриални и транспортни приложения (самолети, влакове, автобуси, камиони). Осигурява възможност за до 4 конектора към един и същи сегмент, минимална дължина 40 м.

На Фиг. 2 са показани възможни начини на свързване и захранване чрез SPE.

Бъдещето на SPE изглежда обещаващо, но изграждането на нова елементна база, екосистема и смяната на съществащата инфраструктура/окабеляване ще отнеме време и ресурси. Изявените компании, които поддържат и работят за SPE/T1 стандарта, са над 40. Това са производители на мрежови контролери (PHY, MAC) в интегрално изпълнение (ИС), на конектори и кабели, на входно-изходни модули и медия конвертори, както и системни интегратори.

 

 

 

Компоненти за SPE

Фирмите, произвеждащи PHY за SPE, в момента са няколко – Analog Devices, Broadcom, Marvell, Microchip, NXP и Texas Instruments. В Таблица 2 са описани предлаганите понастоящем интегрални схеми на PHY, разпределени според поддържания стандарт и със съответните им специфични възможности.

 

 

Интересни са двата нови PHY – TJA1101B и TJA1102A/AS, разработени от NXP. Чипът TJA1102A e първият двупортов SPE PHY, като на Фиг. 3 е показано типично приложение за реализиране на SPE MII комутатор (switch) с SJA1105. TJA1101/02 също интегрират в себе си филтър и ESD защита, което пести място и компоненти, които при TJA1100 се монтират външно. Новите PHY поддържат също така режими на ниска консумация и събуждане през мрежата (поддържат Open Alliance TC-10 Sleep/Wake forwarding) и са сертифицирани за функционална безопасност по ISO26262-ASIL A.



За стандарта 10BASET1L/Т1S единствените засега производители, които имат готови продукти (обещаващи почти двоен обхват на описания в стандарта), са TI и Analog Devices, като компонентите им могат да работят с 1 V (подходящо за взривоопасни среди) и 2,4 V. Интересното при Analog Devices e наличието на комбиниран ИС тип MAC-PHY AIN1110 (всички останали са само PHY), която осигурява и SPI интерфейс към външен контролер – фиг. 4. Texas Instruments обичайно предлага разширен цифров набор за диагностика и настройка, както и развоен кит.

Най-много продукти има в класа 100Base-T1, като приложенията са предимно за автомобилната индустрия, без това да е ограничение, а по-скоро възможност и за други области да се възползват от съществуващите PHY контролери. Сред производителите са Microchip, NXP, Marvell, Broadcom и TI. Интересна особеност при LAN8770 на Microchip e наличието на две разновидности на един и същи чип, като -М модификацията, позволява “back to back” свързване към други PHY, например в адаптери от един към друг физически носител (медиа конвертори). Демонстрационните комплекти на Microchip и NXP дават добра възможност за бърз старт в SPE, като използват минимален брой периферни компоненти и стандартни/кабелни конектори – фиг. 5.



Трансформаторите, филтрите, изолационните и защитни компоненти са неотменна част при реализацията на Ethernet системи. Интересна e демонстрацията на производителя Wuerth Elektronik как мястото, което заемат SPE компонентите (PHY, изолация, защита, конектор), може да бъде до 50% по-малко от стандартното, необходимо при използване на RJ45 – фиг. 6. Използването на типични компоненти за изолация и защита е показано на схемата от фиг. 7.

 

 

 

Конектори и кабели за SPE

Специализирани конектори се разработват и произвеждат от компании като Amphenol ICC, AVX, Harting, Phoenix Contact, Weidmueller, TE Connectivity и други, като списъкът им постоянно се увеличава – Табл. 3.

 

 

Когато SPE се прилага за ниски скорости и с кабел с “обикновени” усукани двойки, могат да се използват винтови съединения, както и класически конектори с кримпване, защипване, завинтване. Разбира се, за постигане на високи скорости и гарантиране на всички параметри, описани в стандартите, вече има нужда от специализиран конектор, който трябва да е с определена форма и размери, да се свързва към усканата двойка по начин, който не нарушава или не променя специфицирания импеданс, не увеличава количеството грешки (BER), не създава отражения и т.н. SPE конекторите могат да заемат почти два пъти по-малко място от стандартния RJ45/8P8C конектор, което дава възможност крайните и междинни устройства да са също по-малки. Обикновено SPE конекторите имат два извода – само за данни или комбинирани данни и захранване. Тези с 4 извода са хибридни – използват се, когато SPE линиите не могат да доставят желаната мощност, тогава се използва канал с две допълнителни жила и конектор с два допълнителни пина (фиг. 8).

 

 

Различните конектори се използват в различна околна среда, което често се описва с MICE категорията (механична, прахова и водна, климатична, електромагнитна категория). Различните нива в категориите осигуряват на планиращите специалисти и крайните потребители ценна информация при специфициране на нужното оборудване и окабеляване. Като част от това се описват основните категории за механична устойчивост (M), възможност за проникване на прах и вода IPxx (I), химична и климатична (C) и такава за електромагнитна съвместимост (E). M1I1C1E1 описва среда като в обикновена офис сграда, а M3I3C3E3 – екстремна среда (работа на открито или в индустриални условия).

За конекторите за данни едно от най-важните качества е съвместимостта – като разположение на изводи и като форма.

Съвместимостта се осигурява чрез международна стандартизация по ISO/IEC и IEEE802.3. В началото на 2018 г. ISO/IEC извършва процес на стандартизиране на опроводяването и размерите/формата на SPE конекторите, като участват повече от 20 международни комитета. Избраните форми са:

 

  • За инсталиране в сгради, форма на конектора в съответствие с IEC 63171-1 – базира се на предложението на CommScope и е познат под наименованието Вариант 1 (LC connector, подобен на този за оптично влакно) за M1I1C1E1 среди, фиг. 9;

 

  • За индустриални и свързани с индустрията приложения и спрямо IEC 63171-6 (предишен IEC 61076-3-125) е избрана форма на конектора, базирана на предложението от Harting, който е създаден специално за работа в M3I3C3E3 индустриални условия, и също под името Вариант 2 (индустриален вариант). С този SPE конектор може да се реализират до 1 GBit/s за къси разстояния и 10 MBit/s за дълги.

 

Кабели за SPE се произвеждат от водещи в областта компании, които стандартно предлагат конектори и кабелни съединения. Характерен пример е продуктовата гама на Helukabel, включваща кабели за SPE за фиксирани инсталации – IEC61156-11 (къси разстояния), IEC61156-13 (дълги разстояния), за подвижни приложения – IEC61156-12 (къси разстояния) и IEC61156-14 (дълги разстояния), както и за приложения, където се изисква висока гъвкавост (IEC61156-12/IE 61156-14). За изолационни материали се използват PVC, FRNC, PUR, FEP.

Компанията предлага също и развоен център за специални решения и малки серии, както и тестов център за различни физически параметри, механични и температурни цикли, пожароустойчивост според UL/CSA, VDE и HAR. Серията SPE кабели Chainflex на Igus обхваща голям брой възможни варианти и типове. Интересен пример са кабелите от подобна категория, които се използват в изпълнителни звена в роботиката и са с гарантиран експлоатационен цикъл от 10 милиона двойни огъвания.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top