Ethernet ist der beliebteste kabelgebundene Netzwerkstandard für Industrial Internet of Things (IIoT)-Netzwerke und bietet starke Leistung und bewährte Zuverlässigkeit. Darüber hinaus reduziert Power over Ethernet (PoE) die Verkabelung, indem Sensoren und IIoT-Endpunkte über dasselbe Ethernet-Kabel mit Strom versorgt werden. Ethernet hat sich auch in Pkw zum Standard entwickelt und ersetzt häufig das serielle Controller Area Network (CAN)-Protokoll. Dies bietet dank der Zuverlässigkeit und hohen Datenrate von Ethernet erhebliche Vorteile für autonomes Fahren und Fahrerassistenzsysteme (ADAS).
In großen IIoT-Netzwerken können Ethernet-Bündel jedoch so groß, schwer und kompliziert sein, dass die Bündel zu Hindernissen werden können, die Geräte belasten und zusätzliche Verstrebungen erfordern. Dies ist besonders lästig für Automobilanwendungen, wo zusätzliches Gewicht und Platz die Kapazität und Laufleistung verringern. In industriellen Transportanwendungen wie Lastkraftwagen, Personen- und Güterzügen und Flugzeugen können die Hilfsgröße und das Gewicht der Kabel groß genug sein, um im Systemdesign kompensiert werden zu müssen, was die Kosten erhöht und die Vorbereitungszeiten verlangsamt.
Um diese Probleme zu umgehen, haben Hersteller Single Pair Ethernet (SPE)-Kabel und -Anschlüsse eingeführt, die auch Power Over Data Lines (PoDL) unterstützen. Das SPE bietet Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, wie z. B. Strom, über ein einzelnes verdrilltes Leiterpaar. Der Artikel erläutert die Vorteile von EPS für Industrie- und Transportanwendungen. Nun werden 2 SPE-Steckverbinder von Phoenix Contact als geeignete 2 SPE-Leitungen für SPE-Anwendungen untersucht.
Vergleich von SPE und gewöhnlichem Ethernet
Ethernet ist der beliebteste kabelgebundene Netzwerkstandard für kommerzielle und industrielle LANs (Local Area Networks). Die am weitesten verbreiteten Versionen sind 10/100Base-T Ethernet, das 2 Twisted Pairs zur Datenübertragung verwendet, und Gigabit Ethernet, das 4 Twisted Pairs verwendet. Da industrielle Automatisierungssysteme höhere Geschwindigkeiten erfordern, ist Gigabit Ethernet mit PoE immer beliebter geworden, um Computer mit Sensoren zu verbinden. Im Allgemeinen wird für verdrillte Paare ein 8-AWG-Kupferdraht verwendet. Diese 5 Drähte sind in der Regel in ein CATXNUMXe-Kabel in Industriequalität eingebettet, das mit Schaumstoffband und einer Folienabschirmung bedeckt ist. In einer riesigen Industrieanlage können Sie Hunderte und Aberhunderte dieser Kabel sehen, die über das ganze Gebäude verteilt sind. Diese Kabelbündel können schwer sein, und anstatt über den Boden geführt zu werden, wo jemand darüber stolpern könnte, werden sie in Kabelbäumen gebündelt, die an Wänden und Geräten befestigt werden. Diese Bündel können fünfzig Pfund (lbs.) oder mehr wiegen, und wenn das zusätzliche Gewicht von Überbrückungskabeln nicht berücksichtigt wird, können sie das Kabelhaltesystem belasten oder beschädigen oder sogar Geräte zum Absturz bringen.
Hinzu kommt, dass die üblichen Ethernet-Kabel eine Längenbegrenzung von hundert Metern (m) haben. In größeren Industrieanlagen und Gebäudeautomatisierungssystemen werden manchmal Repeater benötigt, um die Reichweite von Ethernet-Kabeln zu erweitern, um entfernte Sensoren zu erreichen. Dies erhöht die Schwierigkeit des Systems und führt auch einen weiteren Wartungspunkt ein. Angesichts der zusätzlichen Zeit und Kosten, die mit dem Verlegen dieser dicken und schweren Kabel verbunden sind, ist es offensichtlich, dass ein alternatives Verdrahtungsverfahren erforderlich ist.
Das SPE stellt bidirektionale Daten bereit und überträgt Strom unter Verwendung eines Twisted-Pair-Kabels. Es akzeptiert Kabellängen von bis zu XNUMX m und erweitert die Reichweite vernetzter Sensoren, ohne dass Repeater erforderlich sind. Dadurch wird das Gewicht erheblich reduziert und die Installation erleichtert, was das Design vereinfacht und im Vergleich zu herkömmlichem Ethernet eine maximale Energieeffizienz, einen geringeren Platzbedarf und niedrigere Einrichtungs- und Wartungskosten bietet. Obwohl industrielle Systeme abgeschirmte Mäntel verwenden können, um zu verhindern, dass sich Kabelbündel gegenseitig stören, sind auch leichte ungeschirmte Kabel akzeptabel. Dies ist ein Vorteil bei Automobilanwendungen, da es die Verwendung von leichten Kabeln ermöglicht, die leichter in engen Bereichen wie unter Sitzen und Trittbrettern verlegt werden können. Mit den kombinierten Vorteilen eines kleineren und leichteren Kabels sowie der Bereitstellung von Hochgeschwindigkeitsdaten sowie Strom in einem kostengünstigen Kabelpaar wird erwartet, dass SPE ein beliebter industrieller Kommunikationsstandard wird, wenn nicht sogar dominant.
SPE-Grundlagen
Die formale IEEE-Spezifikation für die zehn Megabit pro Sekunde (Mbit/s) SPE ist 802.3cg. Unterstützt Vollduplex-Datenkommunikation bis zu XNUMX m.
Die IEEE 802.3bw-Regel akzeptiert Vollduplex-Datenkommunikation von bis zu hundert Mbit/s für Kabel bis zu fünfzig m. Es ist auf Hochgeschwindigkeitssensoren in industriellen Anwendungen und bestimmten Automobilanwendungen ausgerichtet.
Die IEEE 802.3bp-Regel unterstützt die Vollduplex-Datenübertragung mit Geschwindigkeiten von bis zu XNUMX Mbit/s für Kabellängen bis zu XNUMX m. Mit dieser Kabellänge kann es für bestimmte industrielle Sensoranwendungen eingesetzt werden, ist jedoch einzigartig für HD-Video sowie kleine Flugzeuge und kommerzielle Automobilanwendungen geeignet, bei denen Sensordaten mit hoher Geschwindigkeit über eine relativ kurze Entfernung übertragen werden müssen.
IEEE 802.3ch unterstützt derzeit bis zu zehn Gigabit pro Sekunde (Gbps) bei Kabellängen bis zu fünfzehn Metern. Es ähnelt 802.3 bp, enthält jedoch die physikalische Schicht (PHY). Dies konzentriert sich vor allem auf kommerzielle Automobil- und industrielle Transportanwendungen, bei denen hohe Datenraten, kleinere Kabeldurchmesser und vor allem geringeres Gewicht wichtige Überlegungen zum Systemdesign sind.
SPE mit PoDL versorgt den Sensor oder Ethernet-Endpunkt über dasselbe Twisted-Pair mit Strom, wobei die gelieferte Strommenge durch die Länge des Kabels und die Stärke des Drahts bestimmt wird. Bei einer maximalen Länge von XNUMX m und einem XNUMX AWG Kabel belässt die IEEE-Spezifikation eine Leistung von XNUMX Volt und XNUMX Watt am Endpunkt.
SPE-Industriehardware
SPE-Industrieanschlüsse verwenden keine RJ45-Stecker, sondern den neuen Steckerstandard IEC 1 TXNUMX. Phoenix Contact bietet eine Familie von SPE-Steckverbindern und -Kabeln für industrielle Anwendungen an.
Für industrielle SPE-Anwendungen, die Schutzart IP67 erfordern, bietet Phoenix Contact eine echte M8-Verbindung unter Verwendung des 8 Million einhundertdreiundsechzigtausendsiebenhundertdreiundneunzig SPE M8-Zwei-Einsatzes mit dem 1 Million vierzwölftausendfünfhundertzwei M67-Gehäuse (Abbildung XNUMX ). Die Kombination der Gehäusebaugruppe und des Einsatzes ergibt einen IPXNUMX-Schutz, der für ziemlich schwierige industrielle Umgebungen geeignet ist. Das leichte Set ist auch für Luftfahrt- und Transportsysteme geeignet.
Das Steckerset kann PoDL mit bis zu zweiundsiebzig Volt bei vier Ampere (A) bereitstellen und ist für Temperaturen von -85 °C bis +8 °C ausgelegt, wodurch es sich für die Stromversorgung von IIoT-Endpunkten und Datenknoten sowie Sensoren in Außenumgebungen eignet . Das beliebte M8-Steckerformat macht es Systemherstellern leicht, bestehende Sensoren und Geräte mit M8-Steckern auf SPE umzurüsten. Die SPE-Steckverbinderbaugruppe verwendet ein standardmäßiges D-codiertes MXNUMX-zwei-SPE-Steckverbindermuster, um sicherzustellen, dass nur SPE-Kabel in die Steckverbinderbaugruppe eingeführt werden.
Unternehmens-SPE-Hardware
SPE eignet sich auch für Unternehmenssysteme, einschließlich Büroumgebungen, in denen leichtere Kabel mit kleinerem Durchmesser einfacher zu bauen und zu verlegen sind. Industrielle IP67-Anwendungen können problemlos mit diesen Geschäftssystemen über genau dasselbe SPE-Netzwerk verbunden werden. Für Geschäftsanwendungen, die normalerweise IP20-Schutz erfordern, ist der modulare Steckverbinder XNUMX SPE von Phoenix Contact, ein gelöteter IEC-Steckverbinder XNUMX, eine praktische Lösung.
Der M8-dos-Einsatz ist kodiert, um einen Fehlanschluss zu verhindern. Der Steckverbinder verfügt über 2 vergoldete Kupferlegierungsstifte, die den Kontaktwiderstand auf einem Minimum halten, wodurch er PdL von bis zu siebzig Volt bei vier A liefern kann. Das M8-Gehäuse besteht aus Messing mit einer Nickelbeschichtung für Korrosionsbeständigkeit.
Die eine Million einhundertdreiundsechzigtausendsiebenhundertsiebenundneunzig ist mit allen aktuellen SPE-Steckverbinderspezifikationen von 802.3cg/bu/bw/bp kompatibel. Es ist so konstruiert, dass es ziemlich rauen Umgebungen standhält, mit Einsteck- und Entfernungszyklen, die in über 20 angegeben sind, ist IP85-zertifiziert, hat einen Betriebstemperaturbereich von -2 °C bis +XNUMX °C und misst fünf x achthundertfünfunddreißig x vierzehn XNUMX mm. Dadurch eignet es sich für die Lötmontage auf Einplatinencomputern (SBCs), wie z. B. speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), bei denen die Leitungen sporadisch vertauscht werden. Beispiele für Szenarien, in denen dies nützlich ist, umfassen Produktionsanlagen, die möglicherweise für verschiedene Produktgruppen neu konfiguriert werden müssen.
SPE-Kabel für IIoT
Für kurze SPE-Verbindungen liefert Phoenix Contact das SPE-Kabel eine Million einhundertdreiundachtzigtausendachthundertacht von zwei m. Dieses Kabel unterstützt PoDL bis zu 2 Volt bei XNUMX A und hat XNUMX SPE-Buchsen an jedem Ende des Kabels (Abbildung XNUMX). Während herkömmliches Ethernet Stecker an den Enden des Kabels und Buchsen an den Enden des Kabels hat, ist die SPE-Hardware umgekehrt.
Der Kabelmantel besteht aus Polyurethan, beständig gegen ultraviolettes (UV) Licht, Abrieb und die meisten Lösungsmittel. Polyurethankabel sind auch beständig gegen Schrumpfen und Reißen durch Sonneneinstrahlung und Wasser sowie gegen den in industriellen Umgebungen üblichen Missbrauch. Das Kabel ist durch eine verzinnte und kupfergeflochtene Abschirmung, die mit plastifizierter Aluminiumfolie umwickelt ist, vor elektromagnetischen (EM) Störungen geschützt. Dadurch eignet es sich für elektrisch verrauschte Umgebungen, insbesondere in Kombination mit anderen Hochgeschwindigkeitskabeln.
Die Kabelbuchsenkontakte bestehen aus einer Kupferlegierung und akzeptieren 802.3cg-konforme 802.3-Mbit/s-Datenübertragungen sowie 802.3bw-XNUMX-Mbit/s-Geschwindigkeiten. Die höchste Übertragungsgeschwindigkeit beträgt XNUMX bp Tausend Mbit/s, wodurch es nicht nur für Sensoren, sondern auch für hochauflösende (HD) Videoüberwachungsgeräte geeignet ist.
Während der Kabelmantel wasser- und staubdicht sowie flammwidrig nach UL94V0 ist, ist die Kabelkonfektion aufgrund der Kabelabschlusssteckverbinder IP20-zertifiziert. Jeder Stecker hat einen Verriegelungsclip, um das Kabel sicher mit der Spitze und dem Ende der Buchse zu verbinden. Dieser Verriegelungsmechanismus ist Teil der SPE-Anschlussregel, um ein versehentliches Entfernen in Umgebungen mit hohem Datenverkehr zu verhindern. Das Kabel ist für den Betrieb bei Temperaturen zwischen -85 °C und +XNUMX °C und für bis zu XNUMX Ein- und Ausziehzyklen ausgelegt. Es eignet sich für den Einsatz im Innenbereich mit Patchfeldern, also für Verbindungen zwischen IIoT-Sensoren und SPE-Anschlussdosen.
Für Anwendungen, die ein längeres Kabel erfordern, bietet Phoenix Contact das XNUMX m lange XNUMX SPE-Kabel an, das genau die gleichen Spezifikationen wie das XNUMX hat.
Fazit
Der Wechsel zu SPE in Anwendungen wie IIoT, Automobil und Unternehmen hilft Designern, den Bedarf an Hochgeschwindigkeits-Konnektivitätslösungen zu decken, die leichter, kleiner und einfacher zu verwenden sind und gleichzeitig die Kosten senken. Designer müssen jedoch bei der Auswahl der Steckverbinder und Kabel, die sie beim Einsatz von SPE-basierten Netzwerken verwenden, Vorsicht walten lassen, um eine zuverlässige Konnektivität in physikalisch rauen und elektrisch verrauschten Umgebungen sicherzustellen.
Wie gezeigt, gibt es Steckverbinderänderungen, die es IP20-zertifizierten Unternehmenssystemen ermöglichen, sich einfach mit IP67-Industriesteuerungssystemen mit echten M8-SPE-Steckverbindern zu verbinden, was eine nahtlose Konnektivität und Stromversorgung in beiden Umgebungen ermöglicht. Mit der zusätzlichen Fähigkeit von PoDL erleichtert die SPE-Konnektivität die Bereitstellung von Strom und Daten für IIoT-Endpunkte in Unternehmen und Industrieumgebungen, ohne dass eine zusätzliche Verkabelung erforderlich ist, wodurch die Bereitstellung viel einfacher und schneller wird.
