Ethernet es el estándar de red por cable más popular para las redes del Internet Industrial de las cosas (IIoT), en tanto que ofrece un sólido desempeño y una confiabilidad probada. Además de esto, la nutrición por medio de Ethernet (PoE) reduce el cableado al suministrar energía a los sensores y a los puntos finales de la IIoT a través del mismo cable Ethernet. Ethernet asimismo se ha transformado en un estándar en los automóviles de pasajeros, reemplazando habitualmente el protocolo de serie de la Red de Área de Controladores (CAN). Esto ofrece notables ventajas para la conducción autónoma y los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), merced a la confiabilidad y la gran velocidad de datos de Ethernet.
No obstante, en las grandes redes de IIoT, los haces de cables Ethernet pueden ser tan grandes, pesados y complicados que los haces de cables pueden transformarse en obstrucciones que pesan sobre los equipos, requiriendo refuerzos auxiliares. Esto es en especial conflictivo para las aplicaciones de automoción, donde el peso y el espacio extra dismuyen la capacidad y el kilometraje. En las aplicaciones de transporte industrial, como camiones, trenes de pasajeros y de carga, y aeroplanos, el tamaño y el peso auxiliares de los cables pueden ser suficientemente grandes para tener que compensarlos en el diseño del sistema, lo que aumenta los costos y ralentiza los tiempos de preparación.
Para solventar estos inconvenientes, los fabricantes han introducido conectores y cables Ethernet de un solo par (SPE) que asimismo aceptan líneas de nutrición sobre datos (PoDL). El SPE da una transmisión de datos de gran velocidad, como energía, mediante un solo par trenzado de conductores. En el artículo se explican los beneficios del SPE para aplicaciones industriales y de transporte. Ahora, se examinarán 2 conectores SPE de Phoenix Contact, como de 2 cables SPE convenientes para aplicaciones SPE.
Comparación de SPE y Ethernet usual
Ethernet es el estándar de red por cable más popular para las redes de área local (LAN) comerciales y también industriales. Las versiones más empleadas son Ethernet 10/100Base-T, que usa 2 pares de hilos trenzados para trasmitir datos, y Gigabit Ethernet, que emplea 4 pares trenzados. Conforme los sistemas de automatización industrial demandan velocidades más veloces, Gigabit Ethernet con PoE se ha hecho más popular para conectar computadoras a sensores. En general, se emplea un cable de cobre de veinticuatro CAE (AWG) para los pares trenzados. Estos 8 hilos acostumbran a estar encerrados en un cable CAT5e de calidad industrial cubierto con cinta de espuma y un apantallamiento de lámina. En una enorme instalación industrial, se pueden ver cientos y cientos de estos cables tendidos por todo la construcción. Estos haces de cables pueden ser pesados, y en vez de pasarlos por el suelo donde alguien puede tropezar con ellos, se reúnen en arneses que se fijan a las paredes y al equipo. Estos haces pueden pesar cincuenta libras (lb) o bien más, y si no se tiene presente el peso añadido de los cables auxiliares, pueden tensar o bien romper el sistema de soporte de cables o bien aun derruir el equipo.
Además de esto, los cables Ethernet usuales tienen un límite de longitud de cien metros (m). En las instalaciones industriales más grandes y en los sistemas de automatización de edificios, en ocasiones hay que emplear repetidores para ampliar el alcance de los cables Ethernet y poder llegar a los sensores recónditos. Esto aumenta la dificultad del sistema y también introduce otro punto de mantenimiento. Con el tiempo extra y el gasto añadido que supone el tendido de estos cables gruesos y pesados, es obvio que se precisa un procedimiento de cableado alternativo.
El SPE da datos bidireccionales y transmite energía usando un cable de par trenzado. Acepta longitudes de cable de hasta mil m, lo que amplía el alcance de los sensores conectados en red sin precisar emplear repetidores. Esto reduce significativamente el peso y facilita la instalación, facilitando el diseño, dando la máxima eficacia energética, una huella más pequeña y menores costos de configuración y mantenimiento en comparación con la Ethernet usual. Si bien los sistemas industriales pueden emplear cubiertas apantalladas para eludir que los haces de cables se interfieran entre sí, asimismo se aceptan cables ligeros sin apantallar. Esto es una ventaja en las aplicaciones de automoción, puesto que deja usar cables ligeros que pueden ponerse más sencillamente en zonas con poco espacio, como bajo los asientos y de los estribos. Con los beneficios combinadas de un cable más pequeño y ligero, así como el suministro de datos de gran velocidad así como el de energía en un par de cables rentables, se espera que el SPE se transforme en un estándar de comunicaciones industriales popular, si no dominante.
Conceptos básicos de SPE
La especificación formal del IEEE para la SPE de diez megabits por segundo (Mbit/s) es 802.3cg. Acepta la comunicación de datos en dúplex completo hasta mil m.
La regla IEEE 802.3bw acepta la comunicación de datos full dúplex de hasta cien Mbits/s para cables de hasta cincuenta m. Se dirige a los sensores de gran velocidad en aplicaciones industriales y ciertas aplicaciones de automoción.
La regla IEEE 802.3bp acepta la comunicación de datos en dúplex completo a una velocidad de hasta mil Mbits/s para una longitud de cable de hasta quince m. Con esta longitud de cable, se puede aplicar a ciertas aplicaciones de sensores industriales, mas es singularmente conveniente para el vídeo de alta definición, de esta manera para pequeñas aeronaves y aplicaciones comerciales de automoción en las que los datos de los sensores de gran velocidad deben trasmitirse a una distancia parcialmente pequeña.
Actualmente, IEEE 802.3ch acepta hasta diez gigabits por segundo (Gbps) con una longitud de cable de hasta quince m. Es afín a 802.3bp, mas incluye la capa física (PHY). Esto se centra eminentemente en las aplicaciones comerciales de automoción y transporte industrial, donde las grandes velocidades de datos, el menor diámetro de los cables y, sobre todo, el menor peso son consideraciones fundamentales para el diseño del sistema.
SPE con PoDL da energía al sensor o bien punto y final de Ethernet a través del mismo par trenzado, con la cantidad de suministro de energía determinada por la longitud del cable y el calibre del cable. Con una longitud máxima de mil m y un cable de catorce CAE (AWG), la especificación IEEE deja una potencia de sesenta voltios y trece y cincuenta y tres vatios en el punto y final.
Hardware industrial SPE
Las conexiones industriales SPE no emplean conectores RJ45, sino más bien el nuevo estándar de conectores IEC sesenta y tres mil ciento setenta y uno T1. Phoenix Contact provee una familia de conectores y cables SPE destinados a aplicaciones industriales.
Para las aplicaciones industriales SPE que precisan una resistencia IP67, Phoenix Contact ofrece una auténtica conexión M8 usando el introduzco un millón ciento sesenta y tres mil setecientos noventa y tres SPE M8-dos con la carcasa un millón cuatrocientos doce mil quinientos dos M8 (Figura 1). La combinación del conjunto de carcasa y también introduzco da una protección IP67, conveniente para ambientes industriales bastante difíciles. El conjunto ligero asimismo es apropiado para los sistemas de aviación y transporte.
El conjunto de conectores puede proveer PoDL hasta setenta y dos voltios a cuatro amperios (A) y está clasificado para temperaturas que van desde -cuarenta °C a +85 °C, lo que lo hace apropiado para nutrir puntos finales de IIoT y nodos de sensores en ambientes exteriores. El popular formato de conector M8 facilita a los fabricantes de sistemas la adaptación de los sensores y equipos existentes con conectores M8 a SPE. El conjunto de conectores SPE usa un patrón de conector SPE M8-dos estándar con codificación D para asegurar que solo se introducen cables SPE en el conjunto de conectores.
Hardware SPE para empresas
El SPE asimismo es apropiado en los sistemas empresariales, incluyendo los ambientes de oficina, donde los cables más ligeros y de menor diámetro son más simples de edificar y tender. Las aplicaciones industriales IP67 pueden interaccionar de forma fácil con estos sistemas empresariales usando exactamente la misma red SPE. Para las aplicaciones empresariales que acostumbran a requerir un grado de protección IP20, una solución conveniente es el conector modular SPE un millón ciento sesenta y tres mil setecientos noventa y siete de Phoenix Contact, un conector IEC sesenta y tres mil ciento setenta y uno soldado con agujero pasante con un clip de bloqueo para asegurar una conexión sólida del cable (Figura dos).
El introduzco M8-dos está enchavetado para eludir fallos de conexión. El conector tiene 2 clavijas de aleación de cobre chapadas en oro que sostienen la resistencia de contacto al mínimo, lo que le deja proveer PdL de hasta setenta voltios a cuatro A. La carcasa M8 es de latón con un chapado de níquel para otorgar resistencia a la corrosión.
El un millón ciento sesenta y tres mil setecientos noventa y siete es compatible con todas y cada una de las especificaciones actuales de conectores SPE de 802.3cg/bu/bw/bp. Está construido para aguantar ambientes bastante difíciles, con ciclos de inserción y retirada detallados en más de setecientos cincuenta, está clasificado como IP20, tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -cuarenta °C a +85 °C y mide cinco x ochocientos treinta y cinco x catorce.2 mm. Esto lo hace apropiado para el montaje por soldadura en ordenadores monoplaca (SBC), como en controladores lógicos programables (PLC), donde los cables se intercambian esporádicamente. Entre los ejemplos de escenarios en los que esto resulta útil se hallan las instalaciones de fabricación que pueden precisar ser reconfiguradas para diferentes conjuntos de productos.
Cables SPE para IIoT
Para conexiones SPE cortas, Phoenix Contact provee el cable SPE un millón ciento ochenta y tres mil ochocientos ocho de dos m. Este cable aguanta PoDL hasta setenta y dos voltios a cuatro A y tiene 2 receptáculos SPE en todos y cada terminación del cable (Figura tres). Al tiempo que la Ethernet usual tiene enchufes en los extremos del cable y receptáculos en los extremos, el hardware de la SPE es inverso.
La cubierta del cable es de poliuretano, resistente a la luz ultravioleta (UV), a la abrasión y a la mayor parte de los disolventes. Los cables de poliuretano asimismo son resistentes a la contracción y al agrietamiento ocasionados por la exposición a la luz solar y al agua, como a los abusos frecuentes en los ambientes industriales. El cable está protegido de las interferencias electromagnéticas (EM) a través de un apantallamiento estañado y trenzado de cobre que se envuelve en papel de aluminio plastificado. Esto lo hace apropiado para ambientes eléctricamente estruendosos, singularmente cuando se combina con otros cables de gran velocidad.
Los contactos del receptáculo del cable son de aleación de cobre y aceptan una transmisión de datos de diez Mbit/s compatible con 802.3cg, como velocidades de cien Mbit/s 802.3bw. La velocidad de transmisión más alta es 802.3bp mil Mbits/s, lo que la hace apropiada no solo para sensores, sino más bien asimismo para equipos de videovigilancia de alta definición (HD).
Al tiempo que la cubierta del cable es inmune al agua y al polvo, aparte de ser resistente a las llamas conforme la regla UL94V0, el conjunto del cable tiene una clasificación IP20 debido a los conectores de terminación del cable. Cada conector tiene un clip de bloqueo para conectar seguramente el cable al punto y final de la toma. Este mecanismo de bloqueo es parte de la regla de los conectores SPE para eludir su retirada casual en ambientes con mucho tráfico. El cable está dispuesto para marchar a una temperatura de entre -cuarenta °C y +85 °C y para efectuar hasta setecientos cincuenta ciclos de inserción y extracción. Es conveniente para su empleo en interiores con paneles de conexión, de esta manera para las conexiones entre los sensores IIoT y las cajas de conexiones SPE.
Para aplicaciones que requieren un cable más largo, Phoenix Contact ofrece el cable SPE un millón ciento ochenta y tres mil ochocientos once de cinco m, que tiene exactamente las mismas especificaciones que el un millón ciento ochenta y tres mil ochocientos ocho.
Conclusión
El paso a la SPE en aplicaciones como la IIoT, la automoción y la compañía, ayuda a los diseñadores a satisfacer la necesidad de soluciones de conectividad de gran velocidad que sean más ligeras, más pequeñas y más simples de utilizar, al paso que se reduce el costo. No obstante, los diseñadores deben tener precaución al elegir los conectores y cables que emplean cuando despliegan redes basadas en SPE para asegurar una conectividad fiable en ambientes físicamente duros y eléctricamente estruendosos.
Como se ha mostrado, existen alteraciones de conectores que dejan que los sistemas empresariales con clasificación IP20 se interconecten de manera fácil con los sistemas de control industrial IP67 con verdaderos conectores M8 SPE, dando una conectividad y un suministro de energía sin grietas en los dos ambientes. Con la capacidad añadida de PoDL, la conectividad SPE facilita el suministro de energía y datos a los puntos finales de la IIoT en ambientes empresariales y también industriales sin precisar cableado auxiliar, lo que facilita y agiliza enormemente las implementaciones.
