Come utilizzare Single-Pair Ethernet per risparmiare spazio e peso migliorando le prestazioni dell'IoT industriale

Ethernet è lo standard di rete cablata più popolare per le reti Internet delle cose industriale (IIoT), dato che fornisce prestazioni solide e affidabilità comprovata. Inoltre, Power over Ethernet (PoE) riduce il cablaggio fornendo l'alimentazione ai sensori e agli endpoint IIoT sullo stesso cavo Ethernet. Ethernet è diventata anche uno standard nelle autovetture, in molti casi sostituendo il protocollo seriale Controller Area Network (CAN). Questo offre notevoli vantaggi per la guida autonoma e i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) grazie all'affidabilità di Ethernet e all'alta velocità dei dati.

Tuttavia, nelle grandi reti IIoT, i fasci di cavi Ethernet possono diventare così grandi, pesanti e ingombranti da ostruire e appesantire le apparecchiature, richiedendo un rinforzo. Questo è particolarmente problematico per le applicazioni automotive dove il peso e lo spazio in più riducono la capacità e l'autonomia. Nelle applicazioni di trasporto industriale come camion, treni per passeggeri e merci e aerei, le dimensioni e il peso dei cavi possono essere tali da dover essere compensati nella progettazione del sistema, aumentando i costi e rallentando i tempi di installazione.

Per affrontare questi problemi, i produttori hanno introdotto connettori e cavi Single-Pair Ethernet (SPE) che supportano anche la potenza su Power over Data Line (PoDL). SPE fornisce la trasmissione di dati ad alta velocità e la potenza su una sola coppia di conduttori intrecciati. Questo articolo spiegherà i vantaggi di SPE per le applicazioni industriali e di trasporto. Verranno poi discussi due connettori SPE di Phoenix Contact e due cavi SPE adatti alle applicazioni SPE.

SPE e Ethernet convenzionale

Ethernet è lo standard di rete cablata più popolare per le reti locali (LAN) commerciali e industriali. Le versioni più usate sono 10/100Base-T Ethernet che usa due coppie di fili intrecciati per trasmettere i dati e Gigabit Ethernet che usa quattro doppini intrecciati. Poiché i sistemi di automazione industriale richiedono velocità più elevate, Gigabit Ethernet con PoE è diventato più popolare per collegare i computer ai sensori. Comunemente, si usa il filo di rame 24 AWG per i doppini intrecciati. Questi otto fili sono di solito racchiusi all'interno di un cavo CAT5e di tipo industriale coperto da un nastro di schiuma e da una schermatura a lamina. In un grande impianto industriale, si possono vedere centinaia di questi cavi instradati in tutto l'edificio. Questi fasci di cavi possono diventare pesanti, e piuttosto che farli passare sul pavimento dove possono essere d'intralcio, sono raggruppati in fasci e fissati alle pareti e alle attrezzature. Questi fasci possono pesare anche 25 kg, e se il peso aggiunto dei cavi aggiuntivi non viene preso in considerazione, possono sollecitare o rompere il sistema di supporto o persino far ribaltare l'attrezzatura.

Inoltre, i cavi Ethernet convenzionali hanno un limite di lunghezza di 100 metri. Per le strutture industriali più grandi e per i sistemi di automazione degli edifici, talvolta si devono utilizzare i ripetitori per estendere la portata dei cavi Ethernet al fine di raggiungere i sensori remoti. Questo aumenta la complessità del sistema e introduce un altro punto di manutenzione. Con il tempo extra e la spesa aggiunta per instradare questi cavi spessi e pesanti, è chiaro che è necessario un metodo di cablaggio alternativo.

SPE fornisce dati bidirezionali e trasmette potenza utilizzando un cavo a doppino intrecciato. Supporta lunghezze di cavo fino a 1000 m, estendendo la portata dei sensori in rete senza usare ripetitori. Questo riduce significativamente il peso e facilita l'installazione semplificando il layout, fornendo la massima efficienza energetica, un ingombro minore e minori costi di configurazione e manutenzione rispetto all'Ethernet tradizionale. Mentre i sistemi industriali possono utilizzare rivestimenti schermati per evitare che i fasci di cavi interferiscano tra loro, sono supportati anche cavi leggeri non schermati. Questo è un vantaggio nelle applicazioni automotive, consentendo cavi leggeri che possono essere instradati più facilmente in aree con limitazioni di spazio come sotto i sedili e sotto le pedane. Con i vantaggi combinati di un cavo più piccolo e più leggero, insieme alla fornitura di dati ad alta velocità e all'alimentazione in un'unica coppia di fili economica, SPE dovrebbe diventare uno standard di comunicazione industriale popolare, se non dominante.

Principi base degli SPE

La specifica formale IEEE per 10 Mbps SPE è 802.3cg. Supporta la comunicazione dati full-duplex fino a 1000 m.

IEEE 802.3bw supporta la comunicazione dati full-duplex fino a 100 Mbps per cavi fino a 50 m. Si rivolge ai sensori ad alta velocità nelle applicazioni industriali e in alcune applicazioni automotive.

IEEE 802.3bp supporta la comunicazione dati full-duplex fino a 1000 Mbps per una lunghezza del cavo fino a 15 m. A questa lunghezza di cavo, è applicabile per alcune applicazioni di sensori industriali, ma è particolarmente adatto per il video ad alta definizione, così come per piccoli aerei e applicazioni automotive commerciali, dove i dati dei sensori ad alta velocità devono essere trasmessi su una distanza relativamente breve.

Attualmente, IEEE 802.3ch supporta fino a 10 Gbps con una lunghezza del cavo fino a 15 m. È simile a 802.3bp ma include lo strato fisico (PHY). Questo si concentra principalmente sulle applicazioni automotive commerciali e di trasporto industriale dove le alte velocità di dati, il diametro del cavo più piccolo e soprattutto il peso inferiore sono considerazioni molto importanti per la progettazione del sistema.

SPE con PoDL fornisce potenza al sensore o all'endpoint Ethernet sullo stesso doppino, con la quantità di potenza erogata determinata dalla lunghezza del cavo e dalla sezione del conduttore. Ad una lunghezza massima di 1000 m usando un filo 14 AWG, la specifica IEEE permette 60 V e 13,53 W di potenza all'endpoint.

Hardware industriale SPE

Le connessioni industriali SPE non usano connettori RJ45 bensì il nuovo standard di connettori IEC 63171 T1. Phoenix Contact fornisce una famiglia di connettori e cavi SPE per applicazioni industriali.

Per le applicazioni industriali SPE che hanno bisogno di robustezza IP67, Phoenix Contact offre una vera connessione M8 usando l'inserto 1163793 SPE M8-2 con il guscio 1412502 M8 (Figura 1). La combinazione di guscio e inserto fornisce una protezione di grado IP67 appropriata per gli ambienti industriali difficili. Il gruppo leggero è anche appropriato per l'aviazione e i sistemi di trasporto.

Figura 1: L'inserto 1163793 M8-2 (a sinistra) e il guscio 1412502 M8 (a destra) di Phoenix Contact forniscono una vera soluzione SPE M8 con protezione IP67 quando assemblati. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Il gruppo di connettori può fornire PoDL fino a 72 V a 4 A ed è adatto per temperature che vanno da -40 a +85 °C, rendendolo appropriato per alimentare endpoint IIoT e nodi di sensori in ambienti esterni. Il popolare formato del connettore M8 rende facile per i produttori di sistemi di riadattare i sensori e le attrezzature esistenti con connettori M8 a SPE. Il gruppo di connettori SPE utilizza un modello di connettore standard SPE M8-2 con codifica D per garantire che solo i cavi SPE siano inseriti nel gruppo di connettori.

Hardware SPE d'impresa

SPE è anche appropriato nei sistemi aziendali, compresi gli ambienti d'ufficio, dove i cavi più leggeri e di diametro più piccolo sono più facili da creare e instradare. Le applicazioni industriali IP67 possono facilmente interagire con questi sistemi aziendali utilizzando la stessa rete SPE. Per le applicazioni aziendali che tipicamente richiedono una protezione IP20, una soluzione appropriata è il connettore modulare 1163797 SPE di Phoenix Contact, un connettore IEC 63171 saldato a foro passante con una clip di bloccaggio per assicurare una salda connessione dei cavi (Figura 2).

Figura 2: Il connettore modulare 1163797 SPE di Phoenix Contact è compatibile con tutti gli standard SPE attuali. È adatto fino a 72 V a 4 A. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

L'inserto M8-2 è codificato per evitare errore di connessione. Il connettore ha due spine in lega di rame dorata che mantengono la resistenza di contatto al minimo, permettendo di fornire PoDL fino a 70 V a 4 A. Il guscio M8 è in ottone nichelato per fornire resistenza alla corrosione.

Il 1163797 supporta tutte le attuali specifiche del connettore SPE di 802.3cg/bu/bw/bp. È costruito per resistere ad ambienti difficili, con inserimento/disinserimento specificato a più di 750 cicli, ha un grado di protezione IP20 e un intervallo di temperatura da -40 a +85 °C e misura 5 x 8,35 x 14,2 mm. Questo lo rende appropriato per il montaggio a saldare su computer monoscheda (SBC) e su controller a logica programmabile (PLC), dove i cavi vengono occasionalmente scambiati. Ad esempio questo si rivela utile negli impianti di produzione che possono aver bisogno di essere riconfigurati per l'assemblaggio di vari prodotti.

Cavi SPE per IIoT

Per connessioni SPE brevi, Phoenix Contact fornisce il cavo SPE da 2 m 1183808. Questo cavo supporta PoDL fino a 72 V a 4 A e ha due prese SPE su ogni terminazione (Figura 3). Mentre l'Ethernet convenzionale presenta connettori alle estremità del cavo e prese agli endpoint, l'hardware SPE è invertito.

Il rivestimento del cavo è in poliuretano resistente alla luce ultravioletta (UV), all'abrasione e alla maggior parte dei solventi. I cavi in poliuretano sono anche resistenti al restringimento e alle crepe causate dall'esposizione alla luce solare e all'acqua, così come agli abusi tipici degli ambienti industriali. Il cavo è protetto dalle interferenze elettromagnetiche (EM) da una schermatura intrecciata in rame stagnato e avvolta in una lamina di alluminio plastificato. Questo lo rende appropriato per ambienti elettricamente rumorosi, specialmente quando è abbinato ad altri cavi ad alta velocità.

Figura 3: Il cavo 1183808 SPE di Phoenix Contact è lungo 2 m e ha un rivestimento protettivo in poliuretano. È schermato EMI e supporta velocità di dati fino a 1000 Mbps. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

I contatti della presa del cavo sono in lega di rame e supportano la trasmissione di dati a 10 Mbps conforme a 802.3cg, così come la velocità di 100 Mbps conforme a 802.3bw. La velocità di trasmissione più alta è di 1000 Mbps conforme a 802.3bp, il che lo rende appropriato non solo per i sensori ma anche per le apparecchiature di videosorveglianza ad alta definizione (HD).

Mentre il rivestimento del cavo è immune all'acqua e alla polvere, oltre ad essere resistente alle fiamme secondo la norma UL94V0, il cavo assemblato ha un grado di protezione IP20 grazie ai connettori di terminazione. Ogni connettore ha una clip di bloccaggio per collegare in modo sicuro il cavo all'endpoint. Questo meccanismo di bloccaggio fa parte dello standard del connettore SPE per prevenire la rimozione accidentale in ambienti frenetici. Il cavo ha una temperatura di funzionamento nominale da -40 a +85 °C e vanta fino a 750 cicli di inserimento e disinserimento. È adatto per l'uso interno con patch panel, così come le connessioni tra i sensori IIoT e le scatole di giunzione SPE.

Per le applicazioni che richiedono un cavo più lungo, Phoenix Contact offre il cavo SPE 1183811 da 5 m, con le medesime specifiche del cavo 1183808.

Conclusione

Il passaggio a SPE in applicazioni come IIoT, automotive ed enterprise, aiuta i progettisti a soddisfare la necessità di soluzioni di connettività ad alta velocità che sono più leggere, più piccole e più facili da usare, riducendo anche i costi. Tuttavia, i progettisti devono fare attenzione nella selezione dei connettori e dei cavi che usano quando distribuiscono reti basate su SPE per garantire una connettività affidabile in ambienti fisicamente difficili ed elettricamente rumorosi.

Come mostrato, sono disponibili varianti di connettori che permettono ai sistemi aziendali IP20 di interconnettersi facilmente ai sistemi di controllo industriale IP67 con veri connettori M8 SPE, fornendo una connettività senza soluzione di continuità e un'alimentazione in entrambi gli ambienti. Con la capacità aggiunta di PoDL, la connettività SPE facilita la fornitura di alimentazione e dati agli endpoint IIoT sia in ambienti aziendali che industriali senza creare ulteriori cablaggi, semplificando notevolmente e ottimizzando le implementazioni.