Single pair ethernet что это

Обновлено: 04.07.2024

Появление SPE стало простым ответом на вопрос, какими должны быть будущие решения для автоматизации, чтобы можно было обеспечить их успешную коммерческую реализацию. Особенно актуален этот вопрос в трех сферах: автомобилестроении, промышленной автоматизации и автоматизации зданий. Во всех этих сферах необходим беспрепятственный доступ к сетям датчиков и исполнительных устройств, чтобы сделать следующий шаг в развитии автоматизированных решений. Такой доступ является обязательным условием для реализации систем автономного вождения, непрерывного производственного процесса на промышленных предприятиях по стандартам «Индустрии 4.0» и интеллектуальных зданий.

Именно эти запросы стимулируют развитие SPE. Упрощение кабельных соединений и уменьшение размера соединителей стали дополнительными преимуществами данной технологии.

Какие SPE-решения необходимы в каждой из этих трех сфер?

Что касается транспортных средств, в них реализация SPE должна быть простой, быстрой и в то же время устойчивой к экстремальным условиям эксплуатации. Автомобилестроительные компании стремятся обеспечить простое управление всеми значимыми компонентами с помощью SPE. Используемые для этого кабели, как правило, не имеют экранирования и требуют специальных технологий соединения — тех, что характеризуются простотой конструкции, сочетающей преимущества вилочных разъемов и клеммных блоков, которые могут объединяться в очень компактные узлы. Первые серийные модели автомобилей с применением SPE уже доступны. В ближайшие десять лет данная технология станет стандартной и полностью заменит, например, существующие решения с шиной CAN.

В области промышленной автоматизации в целом ситуация схожая: решения должны обеспечивать работу в широких диапазонах температуры, быть устойчивыми к ударам и вибрации, а также иметь защиту IPx от воздействия пыли и влаги. Однако в промышленном секторе в основном применяются экранированные кабели, которые гарантируют высокую помехоустойчивость и электромагнитную совместимость. Таким образом, ключевыми характеристиками исполнений вилочных соединителей SPE для промышленного применения являются прочность и применение экранированных компонентов со степенью защиты от IP20 до IP65/67 в стандартных кожухах M12 и M8.

Что характерно для технологии SPE в области строительной автоматизации? Это интересный вопрос, поскольку разработчикам систем автоматизации зданий, например решений KNX, LON, EchoNet, TRON и т. д., еще только предстоит решить, как и в каком масштабе в этих системах будет использоваться технология SPE. Данная сфера не сможет обойтись без SPE, но очевидно, что развитие этой технологии знаменует серьезные изменения в долгосрочной перспективе — например, для систем, полностью реализованных на основе технологии Ethernet. Если говорить о кабельных соединениях, то здесь могут применяться как неэкранированные, так и экранированные решения, которые, как правило, устанавливаются внутри помещений — следовательно, к их прочности не предъявляются такие высокие требования, как в промышленной сфере. Для обслуживания и тестирования могут применяться соединители RJ45. Альтернативным решением является использование клеммных блоков с винтовыми или обжимными контактами для соединения.

Унификация

При внедрении SPE в названных сферах имеющиеся соединители RJ45 никакого влияния на этот процесс не оказывают, учитывать какие-либо особенности необходимости нет.

Домыслы об обратной совместимости технологии SPE и кабельных соединений RJ45 допускаются, но они не имеют практического значения. У них разные области применения. Следовательно, предположение о том, что соединитель SPE должен быть обратно совместим с RJ45, необоснованно.

Существует еще один миф — о том, что унифицированного решения SPE нет и никогда не будет. Конечно, в каждой области применения есть собственный набор специальных требований, поэтому соединители SPE всегда будут разрабатываться в различных исполнениях. Универсального соединителя для всех сфер действительно не будет.

В перспективе будут доступны три варианта соединителей SPE:

для транспортных средств (возможно, несколько исполнений разных производителей);
для промышленного применения;
для систем автоматизации зданий.

Не будем останавливаться на области автомобилестроения, но рассмотрим подробнее промышленную и строительную сферы, для того чтобы понять, почему «производители соединителей» не могут договориться и создать унифицированные соединители.

Для лучшего понимания следует уточнить: «производители соединителей» — это не одна организация с общей целью, это компании, конкурирующие на рынке, где окончательное решение принимают потребители (какой продукт они предпочитают остальным и используют, а какой продукт им не нужен). Возможность выбора для потребителей очень важна.

Необходимость «согласования» также можно расценивать как условие лидерства какой-либо конкретной компании в области технологий. Это обоснованно.

Сейчас инициатива по развитию SPE для промышленного применения и автоматизации зданий находится в руках двух лидеров.

Требования для этих двух областей применения регламентирует серия стандартов ISO/IEC 11801 — по крайней мере, в отношении кабелей или, если говорить точнее, в отношении подключения новых кабелей SPE и структурированных кабелей в здании. Стандарт ISO/IEC 11801-3 предназначен для промышленной сферы, а стандарт ISO/IEC 11801-6 — для сферы автоматизации зданий.

Комитет IEEE802.3 по стандартизации Ethernet запросил у рабочих групп ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 (стандартизация кабелей и разработка документации для стандарта 11801) рекомендации для соединителя SPE, которые впоследствии стали основой для отбора стандарта в начале 2018 г.

SC 25/WG 3 был определен набор требований. Одно из них предусматривало гарантию для производителей/заявителей, что в случае выбора стандарта для соответствующего соединителя будут обеспечены совместимость со стандартными компонентами и отсутствие запатентованных исполнений.

В выборе стандарта SPE приняли участие разные производители, активно работающие в области международной стандартизации. Некоторые из них представили свои концепции и предложили ноу-хау для обсуждения. Все эти концепции соединителей SPE были вынесены на голосование.

Рис. 1. Разработка IEC 63171-6 — универсального стандарта для однопарного Ethernet

Голосование с использованием международных бюллетеней прошло в соответствии с правилами ISO/IEC. В нем приняли участие национальные комитеты (NC) из 25 стран мира. У каждой страны было право на один голос.

В результате в июне 2018 г. абсолютное большинство голосов набрали промышленный соединитель SPE, соответствующий стандарту IEC 63171-6 (концепция HARTING, рис. 1 и 2), а также соединитель, соответствующий стандарту IEC 63171-1 (концепция CommScope), для применения в зданиях.

Рис. 2. SPE-решения HARTING

Таким образом, предположение о том, что производители соединителей не могут договориться и выбрать унифицированный соединитель SPE, тоже неверно, стандарты уже есть.

Определение Комитетом ISO/EIC унифицированных соединителей SPE стало важным этапом для последующей работы в области стандартов для кабельных соединений.

Решения в отношении соединителя SPE были включены в соответствующую документацию ISO/IEC, TIA и IEEE.

Хорошая новость для всех пользователей: стандартизированный соединитель SPE для промышленного применения (IEC63171-6) будет учитываться во всех применимых стандартах для кабелей и станет обязательным для рассмотрения.

Подробная информация об этом приведена в стандартах:

ISO/IEC 11801-3 AMD-1 «Информационные технологии — общие кабельные системы для помещений (структурированные кабельные соединения). Часть 3: промышленность, AMD-1: SPE».
ANSI/TIA-1005-B «Стандарт для телекоммуникационной инфраструктуры для промышленных помещений — кабельные соединения SPE».
IEC 61918, издание 4.0 «AMD-1: промышленные коммуникационные сети — установка коммуникационных сетей в промышленных помещениях, AMD-1 SPE».

Автоматизация процессов

Еще одной темой для дискуссий стала взаимосвязь SPE и автоматизации процессов. Насколько они влияют на развитие друг друга?

Автоматизация процессов занимает особое место в широком спектре решений для промышленной автоматизации. В этой области предусмотрен набор специальных требований для решений в нефтегазовой, химической, фармацевтической, горнодобывающей, пищевой отраслях промышленности, водохозяйственной деятельности, в производстве строительных материалов и стекла и т. д.

Этот набор требований включает передачу данных на большие расстояния (IEEE802.3cg), что оказывает влияние на поперечное сечение медных кабелей AWG16 и AWG 18, а в дополнение к стандартным соединителям для SPE могут применяться соединительные блоки.

Кроме того, большое значение имеет взрывобезопасное исполнение в соответствии с IEC/EN 60079-0 и IEC/EN 60079-7. Технология соединения должна обеспечивать соблюдение требований к искробезопасности.

Также автоматизация процессов предусматривает особые решения для дистанционной передачи электропитания. Например, решения на основе SPE в этой области должны обеспечивать эксплуатацию коммутаторов SPE на взрывозащищенных участках. Соответственно, предъявляются более строгие требования к производительности, которые не могут быть полностью соблюдены за счет применения PoDL (PoE для SPE).

Сейчас вопрос состоит в том, какие коммерческие требования необходимо учитывать для развития технологий IIoT и SPE в области автоматизации процессов. И здесь можно сделать смелое заявление: это практически неважно. В спектре решений для промышленной автоматизации на автоматизацию процессов приходится менее 10%. А доля специализированных областей применения, требующих взрывобезопасного исполнения, составляет менее 1%.

Таким образом, предположение о том, что автоматизация процессов определяет развитие SPE, опровергнуто. Итак, в статье нам удалось развеять несколько мифов и прийти к следующим выводам:

Технология SPE и соединители SPE не имеют никакого отношения к RJ45.
В процессе стандартизации из множества концепций разных производителей был выбран один соединитель для промышленного применения SPE — IEC 63171-6.
Автоматизация процессов не определяет развитие SPE. Это особая категория.

Организация SPE Industrial Partner Network e.V., штаб-квартира которой расположена в г. Раден (Германия), является сообществом равноправных компаний-участников, работающих над внедрением технологии однопарного Ethernet с целью успешного развития IIoT. Участники сообщества готовы ответить на любые вопросы будущих пользователей, заинтересованных в развертывании сетей и внедрении устройств SPE.

Мы предоставляем рекомендации по реализации перспективных решений IIoT и являемся центральной платформой для получения информации и обмена знаниями и опытом.

5 февраля этого года был утверждён новый стандарт на 10-мегабитный Ethernet. Да, вы верно прочитали: десять мегабит в секунду.

Для чего в 21-м веке нужна такая «маленькая» скорость? Для замены того зоопарка, который скрывается под ёмким названием «полевая шина» — Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART и т.д. Их слишком много, они несовместимы между собой и относительно сложны в настройке. А хочется просто воткнуть кабель в коммутатор, и всё. Как с обычным Ethernet.

И вскоре это станет возможным! Знакомьтесь: «802.3cg-2019 — IEEE Standard for Ethernet — Amendment 5:Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors».

Чем же интересен этот новый Ethernet? Прежде всего – он работает по одной витой паре, а не по четырём. Поэтому у него меньше разъёмы и тоньше кабели. И можно использовать уже проложенную витую пару, идущую к датчикам и исполнительным механизмам.

Вы можете возразить, что Ethernet работает до 100 метров, а датчики расположены гораздо дальше. Действительно, раньше это было проблемой. Но 802.3cg работает на расстоянии до 1 км! По одной паре! Неплохо?

На самом деле, ещё лучше: по этой же паре может подаваться и электропитание. Вот с него и начнём.

IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)

Думаю, многие из вас слышали о PoE (Power over Ethernet) и знают, что для передачи питания нужны 2 пары проводов. Ввод/вывод питания сделан в средних точках трансформаторов каждой пары. Используя одну пару такое сделать невозможно. Поэтому пришлось делать по-другому. Как именно – показано на рисунке внизу. Для примера добавлен и классический PoE.

Здесь:
PSE – power sourcing equipment (источник питания)
PD – powered device (устройство на дальнем конце, потребляющее электричество)

Изначально 802.3bu имел 10 классов электропитания:

Цветом выделены три условных градации напряжения источника: 12, 24 и 48В.

Обозначения:
V_pse — напряжение источника питания, В
V_pd min — минимальное напряжение на PD, В
I max — максимальный ток в линии, А
P_pd max — максимальная потребляемая мощность PD, Вт

С появлением протокола 802.3cg добавилось ещё 6 классов:

Разумеется, при таком многообразии PSE и PD должны согласовывать класс электропитания перед подачей полного напряжения. Делается это с помощью SCCP ( Serial Communications Classification Protocol). Это низкоскоростной протокол (333 бит/с), основанный на 1-Wire. Он работает только тогда, когда в линию не подано основное питание (в т.ч. в спящем режиме).

На блок-схеме показано, как выполняется подача питания:

подаётся ток 10мА и проверяется наличие на том конце стабилитрона на 4В
производится согласование класса питания
подаётся основное питание
если потребление падает меньше 10мА – включается спящий режим (подача дежурного питания 3.3В)
если потребление превышает 1мА – происходит выход из спящего режима

Согласование класса питания можно не делать, если он заранее известен. Такой вариант называется Fast Startup Mode. Применяется, например, в автомобилях, т.к. там нет необходимости менять конфигурацию подключенного оборудования.

Инициировать переход в спящий режим может как PSE, так и PD.

Теперь перейдём к описанию передачи данных. Там тоже интересно: в стандарте определены два режима работы – дальнобойный и для небольших расстояний.

10BASE-T1L

Это вариант для большой дальности (long reach). Основные характеристики следующие:

дальность действия – до 1км
проводники 18AWG (0.8мм 2 )
до 10 промежуточных разъёмов (и два оконечных)
режим работы точка-точка
полный дуплекс
символьная скорость 7.5Мбод
модуляция PAM-3, кодирование 4B3T
сигнал с амплитудой 1В (1Vpp) или 2.4В
поддержка Energy Efficient Ethernet (“quiet/refresh” EEE)

Стоит упомянуть, что 10BASE-T1 только один из стандартов Single Pair Ethernet (SPE). Есть ещё 100BASE-T1 (802.3bw) и 1000BASE-T1 (802.3bp). Правда, они разрабатывались для автомобильных применений, поэтому там дальность только 15 (UTP) или 40 метров (STP). Однако, в планах уже есть и дальнобойный 100BASE-T1L. Так что в будущем добавят автосогласование скорости.

А пока согласование не используется – заявлен «быстрый старт» интерфейса: меньше 100мс от подачи питания до начала обмена данными.

Ещё одна опция (необязательная) – увеличение амплитуды передачи с 1 до 2.4В для улучшения отношения сигнал/шум, уменьшения количества ошибок, противодействия индустриальным помехам.

Ну и, разумеется, EEE. Это способ экономить электричество за счёт отключения передатчика, если в данный момент нет данных для передачи. На диаграмме показано, как это выглядит:

Теперь посмотрим, что придумали со вторым вариантом стандарта.

10BASE-T1S

Уже по последней букве понятно, что это протокол для коротких расстояний (short reach). Но зачем он нужен, если на коротких расстояниях и T1L работает? Читаем характеристики:

дальность действия до 15м в режиме точка-точка
дуплекс или полудуплекс
проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм 2 )
символьная скорость 12.5Мбод
DME, кодирование 4B5B
сигнал с амплитудой 1В (1Vpp)
до 4-х промежуточных разъёмов (и два оконечных)
нет поддержки EEE

дальность действия до 25м в режиме мультипоинт (до 8 узлов)

режим работы с предотвращением коллизий PLCA RS (PHY-Level Collision Avoidance Reconciliation Sublayer)

Но у режима мультипоинт есть недостатки. Основной из них – разделяемая среда передачи данных. Конечно, коллизии разрешаются с помощью CSMA/CD. Но неизвестно, какая при этом будет задержка. А для некоторых применений это критично. Поэтому в новом стандарте дополнили мультипоинт специальным режимом PLCA RS (см. следующий раздел).

Второй недостаток – в мультипоинте не работает PoDL. То есть питание придётся подавать по отдельному кабелю или брать где-то на месте.

Впрочем, в режиме точка-точка PoDL работает и на T1S.

PLCA RS

Работает этот режим следующим образом:

узлы распределяют между собой идентификаторы, узел с становится координатором
координатор выдаёт в сеть BEACON signal, означающий начало нового цикла передачи и передаёт свой пакет данных
после передачи пакета данных очередь на передачу переходит к следующему узлу
если в течение времени, необходимого для передачи 20 бит узел не начал передачу, очередь переходит к следующему узлу
когда все узлы передали данные (или пропустили свою очередь), координатор начинает новый цикл

Результат использования PLCA – внизу на графиках. Первый – задержка в зависимости от загрузки, второй – пропускная способность в зависимости от количества передающих узлов. Хорошо заметно, что задержка стала гораздо более предсказуемой. И она в худшем случае на 2 порядка меньше, чем в худшем случае CSMA/CD:

И пропускная способность канала в случае PLCA выше, т.к. не расходуется на разрешение коллизий:

Разъёмы

Изначально выбирали из 6-ти вариантов разъёмов, предложенных разными фирмами. В результате остановились на этих двух вариантах:

Для обычных условий эксплуатации был выбран LC разъём IEC 63171-1 компании CommScope.

Для суровых условий эксплуатации – семейство разъёмов IEC 63171-6 (бывший 61076-3-125) компании HARTING. Эти разъёмы рассчитаны на степени защиты от IP20 до IP67.

Разумеется, разъёмы и кабели могут быть как UTP, так и STP.

Прочее

Можно применять обычный четырёхпарный кабель Ethernet, используя каждую пару для отдельного канала SPE. Чтобы не тянуть куда-то вдаль четыре отдельных кабеля. Или использовать однопарный кабель, а на дальнем конце поставить коммутатор однопарного Ethernet.

А можно подключить этот коммутатор прямо в локальную сеть предприятия, если в дальние дали уже протянута сеть по оптоволокну. Воткнуть там в него датчики, а показания с них смотреть здесь. Прямо по сети. Без конвертеров интерфейсов и шлюзов.

И ведь это не обязательно должны быть датчики. Могут быть видеокамеры, домофоны или «умные» лампочки. Приводы каких-нибудь клапанов или турникеты на проходных.

Так что перспективы открываются интересные. Вряд ли, конечно, SPE заменит все полевые шины. Но изрядный кусок он у них откусит. Уж в автомобилях-то точно.

PS Я не нашёл текст стандарта в открытом доступе. Приведенная выше информация собиралась по кусочкам из разных презентаций и доступных в интернете материалов. Так что в ней могут быть неточности.

Статья является третьей частью серии публикаций, описывающих решения компании TE Connectivity для высокоскоростных соединений. Она посвящена гибридным разъемам для однопарного Ethernet, позволяющим работать с более высокими уровнями мощности, чем при PoDL, и свести к минимуму уровень возможных помех.

В статье приведено описание гибридных разъемов, ориентированных на использование в приложениях однопарного Ethernet (Single-Pair Ethernet, SPE). Описываемые разъемы поддерживают скорость передачи данных до 1 Гбит/с/600 МГц и ток до 8 А. С целью обеспечения целостности сигнала и минимизации возможных помех между парами контактов питания и передачи данных в разъемах добавлен специальный экран. Корпус разъема соответствует типоразмеру M8, что выдвигает дополнительные требования к его структуре с точки зрения противодействия влиянию высших гармоник на качество сигнала, например, при работе с импульсными источниками питания. Возможность работы с более высокими значениями тока и наличие экрана значительно расширяет возможности применения предлагаемых разъемов в различных топологиях, по сравнению с PoDL.

Общие сведения

Однопарный Ethernet (SPE) обеспечивает передачу данных со скоростью до 1 Гбит/с всего по одной витой паре. Благодаря сокращению количества проводов (к примеру, в Fast Ethernet и Gigabit Ethernet их использовалось 4 или 8), SPE позволяет использовать в приложениях разъемы меньших размеров и, тем самым, снизить затраты на производство и подключение конечных устройств. Снижение затрат на разъемы и количество проводов в кабеле в свою очередь позволило организовывать подключение Ethernet прямо на уровне датчиков, тем самым обеспечив их прямое взаимодействие с облачными или локальными серверами.

Предполагается, что использование SPE значительно расширит возможности промышленного интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT). В частности, это касается систем мониторинга состояния, в которых информация, полученная с датчиков и обработанная на серверах, используется для составления прогнозов по проведению профилактического обслуживания или ремонта оборудования. Уже сейчас в таких системах можно наблюдать использование звездообразной топологии, при которой питание для модулей ввода-вывода и датчиков на нижнем уровне передается по тому же кабелю, который используется для передачи данных. Для сегментов сети протяженностью до 40 м, скоростью передачи до 1 Гбит/с и ориентированных на приложения Factory Automation с током до 1,36 А технология Power over Data Line (PoDL) [1] является, пожалуй, наиболее подходящим вариантом. Однако, когда речь заходит о более высоких значениях тока, что не является редкостью в IIoT, необходимо использовать несколько иной подход к организации сети.

Одним из вариантов является использование кабелей и специальных SPE-разъемов для промышленных сред с двумя парами контактов, одна из которых ориентирована на передачу данных со скоростью до 1 Гбит/с/600 МГц (согласно IEEE 802.3bp [2]), а другая ответственна за подачу питания при токе величиной до 8 А. Именно такой тип разъемов, а также разъем без дополнительных контактов питания был стандартизирован в IEC 63171-6 [3] 20 января 2020 года (рисунок 1). На рисунке а) представлен разъем со степенью защиты IP20 для SPE, питание подается согласно PoDL, максимальный ток 1,36 A; на рисунке б) – гибридный разъем со степенью защиты IP67 для SPE с отдельными контактами питания, максимальный ток до 8 A.

Рис. 1. Разъемы для SPE, соответствующие стандарту IEC 63171-6

На рисунке 2 более подробно показана структура гибридного разъема, на которой отчетливо виден металлический экран, разделяющий пары контактов и служащий для снижения уровня помех во время передачи сигнала. Данные разъемы, как уже упоминалось ранее, выполнены в корпусе, соответствующем типоразмеру M8, что выдвигает дополнительные требования с точки зрения противодействия влиянию высших гармоник на качество сигнала. Стоит также отметить, что для использования таких разъемов необходимо наличие соответствующего кабеля, содержащего в себе отдельные пары проводов SPE и питания, причем пара SPE также должна соответствовать IEC 61156-12 и должна быть отделена от проводов питания экраном. Подразумевается, что провода силовой пары кабеля должны иметь сечение, соответствующее 18AWG.

Рис. 2. Структура гибридного разъема со степенью защиты IP67 и экраном между парой сигнальных контактов и контактами питания: (а) общая структура разъема, (б) поперечный разрез

Что лучше: PoDL или отдельные контакты питания?

Технология PoDL представляет собой компактный способ организации подключения устройств, стандартизированный IEEE802.3bu и требующий для передачи данных и питания всего двух проводов. Данная технология открывает широкий простор для реализации приложений с компактными и легкими разъемами для подключения к сети. На данный момент PoDL поддерживает только топологию «точка-точка», при которой с одной стороны находится питающее устройство или инжектор (Power Sourcing Equipment – PSE), а с другой – устройство, запитываемое через Ethernet (Powered Device – PD), причем подача или отключение питания в сети никак не должно влиять на процесс передачи данных. Типовая схема подключения микросхемы физического уровня (PHY) к сети PoDL показана на рисунке 3. Как видно из рисунка, для корректного подключения микросхемы к SPE необходимо наличие в схеме синфазного дросселя (common mode choke, CMC), а также специальных терминаторов (common mode terminations, CMT) для подавления синфазного шума и блокирующих конденсаторов (DC block capacitors). Кроме того, чтобы минимизировать воздействие на процесс передачи данных, соединение PHY-микросхемы и SPE должно производиться через фильтр нижних частот или последовательно подключенные катушки индуктивности.

Рис. 3. Общая схема подключения SPE в PoDL

Однако существуют ситуации, когда необходимо отклониться от правил, определяемых PoDL. Причиной такого отклонения, например, может стать потребность в передаче более высокого значения мощности для питания электродвигателя. Кроме того, при построении сети питания может потребоваться более высокий уровень гибкости и возможность распределения мощности между несколькими PD. Еще одной причиной отказа от PoDL может стать необходимость наличия развязки или экрана между сигнальной линией и линией питания: это позволяет уменьшить количество компонентов, используемых для фильтрации сигналов.

Именно с учетом всех вышеописанных требований и был разработан гибридный тип разъемов с отдельными парами контактов для подачи питания и передачи данных. Причем одним из ключевых требований к новому формату было сохранение компактного форм-фактора, соответствующего типоразмеру M8. Максимальное значение тока в новом типе разъемов может достигать значения 8 А. Далее в статье будут более подробно описаны характеристики и возможности использования гибридного типа разъемов в различных топологиях.

Передача мощности

При использовании PoDL максимальный уровень мощности, передаваемой на подключенное к сети устройство, составляет 50 Вт при максимальном значении тока 1,36 А, при этом уровень напряжения (DC) на стороне PSE должен составлять 60 В, что соответствует 48 В (DC) на PD. Так как гибридный разъем способен работать с более высокими значениями тока, мощность, подаваемая на PD-устройство, также увеличивается. Конечно, как и с PoDL, при расчете максимальной мощности следует учитывать уровни падения напряжения и потери в кабеле, но для того, чтобы получить общее представление о возможном порядке передаваемой мощности, достаточно проанализировать типовую схему для передачи [4], показанную на рисунке 4.

Рис. 4. Типовая схема для передачи мощности в нагрузку

В левой части схемы, изображенной на рисунке 4, показан источник питания (PSE), изображенный в виде источника напряжения с включенным последовательно внутренним сопротивлением. Желтым выделены провода, используемые для передачи мощности на питаемое устройство (PD), выступающее в роли нагрузки и требующее для работы наличия определенного уровня напряжения. Взяв за основу предложенную схему, мы можем определить предполагаемые уровни мощности и тока, передаваемые по кабелю заданной длины. Если мы возьмем провод с сечением, соответствующем 18AWG, и для упрощения расчетов удалим из схемы сопротивление источника, то мы получим следующие результаты (рисунок 5):

Рис. 5. Зависимость напряжения на нагрузке от передаваемой мощности и тока цепи при использовании медного провода сечением 18AWG

На графиках, расположенных в левой части рисунка 5, показана зависимость напряжения на нагрузке от уровня передаваемой мощности: при увеличении мощности напряжение на нагрузке падает, что связано с увеличением значения тока в питающей паре контактов. Максимальное значение мощности соответствует примерно 50% от уровня максимального напряжения на нагрузке. Однако передача в сеть максимально допустимого значения мощности редко используется на практике из-за возможных проблем со стабильностью работы PD.

Если учесть тот факт, что большинство электронных устройств допускают снижение уровня напряжения до значения на 10% ниже номинального (черный кружок на графике), и предполагая, что падение напряжения на кабеле составляет 10%, можно принять КПД приведенной выше схемы на уровне около 80%. Следует также учесть, что для PoDL-систем падение напряжения может достигать 20%. Графики на рисунке 5 приведены для кабелей длиной 20 и 40 м, и, как и ожидалось, длина кабеля достаточно сильно влияет на уровень максимальной передаваемой мощности. Так, для кабеля длиной 40 м при напряжении источника 60 В максимальная передаваемая мощность может достигать 200 Вт, в то время как для кабеля длиной 20 метров это значение составляет чуть меньше 400 Вт.

Гальваническая развязка

При использовании PoDL питание и поток данных передается по одной и той же паре проводов. Преимуществом такого подхода является использование для подключения устройств простого двухжильного кабеля, однако его недостатками является ограничение тока на уровне 1,5 А и довольно значительное повышение требований к цепям шумоподавления и скорости изменения уровня передаваемой мощности, связанное с необходимостью минимизации помех в процессе передачи данных. Наиболее распространенным источником шума при использовании PoDL являются пульсации напряжения, исходящие от импульсных источников питания или исполнительных механизмов, поэтому при использовании данной технологии необходимо обращать пристальное внимание на цепи фильтрации. Однако большинство проблем с шумом можно решить если экранировать линию питания от линии передачи данных при помощи гальванической развязки.

Прежде чем приступить к экранированию, нужно определить природу шума, с которым мы боремся. Одной из причин шумов в сигнальной линии могут являться пульсации напряжения от импульсных источников питания, величина которых в большинстве случаев колеблется от 0,25 В до 1 В. Однако куда более неприятным источником шумов является наличие в схеме различного рода приводов, например, двигателей постоянного тока, которые часто порождают короткие по времени всплески напряжения, что, в свою очередь, становится причиной возникновения шума в широкой полосе частот. Чтобы оценить уровень шума в цепи, лучше всего воспользоваться стандартом IEC 61000-4-4, в котором подробно описана технология проведения испытаний на определение устойчивости схемы к электрическим быстрым переходным процессам. В данном стандарте, в частности, определена идеальная форма одиночного импульса при нагрузке 50 Ом (рисунок 6). Анализ спектра данного импульса показывает, что основные шумы приходятся на нижний диапазон частот (МГц). Это в свою очередь означает, что при построении схем фильтрации основной упор следует делать именно на борьбу с низкочастотными шумами.

Рис. 6. Идеальная форма одиночного импульса, определенная в IEC 61000-4-4: (a) форма импульса во временной области, (б) частотный спектр импульса

После того как мы определились с частотой шума, необходимо выяснить, какой уровень шума не создаст помех для работы микросхем SPE PHY. Для этого мы можем руководствоваться стандартами IEEE 802.3bu и IEEE 802.3bp. Первый стандарт описывает технологию PoDL, а также приводит требования, согласно которым допустимый размах пульсаций напряжения в диапазоне частот от 1 кГц до 10 МГц составляет 0,1 В. IEEE 802.3bp свою очередь определяет стандарт физического уровня 1000BASE-T1 и приводит рекомендации по подавлению посторонних перекрестных помех. На рисунке 7 приведена схема для тестирования PHY-микросхем, описанная в стандарте IEEE 802.3bp. Источник помех на схеме создает гауссовский шум магнитудой -100 дБм/Гц для сегмента сети длиной до 40м.

Вышеупомянутые требования вполне могут использоваться при моделировании и анализе устойчивости к внешним помехам линии SPE с установленным на конце гибридным разъемом.

Рис. 7. Схема для тестирования PHY-микросхем на возможность противодействия перекрестным помехам согласно IEEE802.3bp

Распределение мощности

Еще одним преимуществом, которое дает использование разъемов с разделением силовой и сигнальной пар контактов, является гибкость в реализации схем распределения мощности. На текущий момент при использовании технологии PoDL доступно использование только топологии типа «точка-точка». И несмотря на то, что исследование возможности использования в PoDL соединения нескольких PD с помощью одного PSE ведется уже сейчас, PoDL в основном рассчитано на применение в приложениях стандарта 10BASE-T1. Отдельная же линия питания в гибридных разъемах уже сейчас позволяет без проблем подключать несколько PD-устройств, причем мы по-прежнему можем использовать PoDL на сигнальных контактах. В случае совместного использования PoDL и отдельных контактов питания сеть может быть разделена на сегмент, который отвечает за распределение мощности между исполнительных механизмами, часто являющимися основным источником шума, и сегмент PoDL, который бы отвечал за питание только микросхем SPE PHY. Примеры возможных топологий использования раздельных контактов и PoDL приведены на рисунке 8: при необходимости передачи высокого значения мощности на одно PD-устройство лучше всего использовать топологию «точка-точка» (рисунок 8а); при наличии нескольких узлов возможно питание от одной общей шины (рисунок 8б) или использование коммутатора в случае, если подключаемые устройства будут создавать большое количество шума (рисунок 8в) ; если же мощности одного PSE недостаточно, в схему всегда можно добавить еще один (рисунок 8г)

Рис. 8. Примеры использования гибридного разъема в разных топологиях: (а) точка-точка, (б) питание от общей шины, (в) использование коммутатора, (г) питание от общей шины с дополнительным PSE

Заключение

В статье приведено описание новых гибридных разъемов для использования в SPE-приложениях. По сравнению с традиционными разъемами, в основе структуры которых лежит технология PoDL, предлагаемое решение содержит в себе дополнительные контакты питания, но сохраняет при этом компактные размеры, соответствующие формату M8. И хотя недостатком применения гибридных разъемов является несколько больший вес и диаметр подключаемого кабеля (из-за необходимости наличия в нем дополнительных проводов), эти недостатки с лихвой перекрываются возможностью работы с более высокими уровнями тока, чем в PoDL и, как следствие, возможностью передачи более высоких значений мощности на подключаемое устройство, что в свою очередь обеспечивает большую гибкость при построении сети и возможность использования различных топологий. Кроме того, разделение контактов позволяет значительно снизить уровень электромагнитных помех, влияющих на передачу данных, что делает данные разъемы особенно привлекательными с точки зрения применения в сетях, в которых присутствуют разного рода исполнительные механизмы, а SPE-датчики устанавливаются прямо на оборудование.

Появление однопарного Ethernet было в значительной степени связано с интересами автомобилестроения. Теперь эта технология приобретает все большее значение для различных приложений автоматизации, включая интеллектуальные здания и промышленное производство. 10Base-T1, новый стандарт однопарного Ethernet, будет поддерживать одновременную передачу данных и напряжение питания.

Традиционный «медный» Ethernet с неэкранированными и экранированными кабелями с витыми парами — UTP, ScTP или Sc/FTP — составляет основу локальных вычислительных сетей. А благодаря технологии Power over Ethernet (PoE) с его помощью можно достаточно просто обеспечить питанием видеокамеры, точки доступа беспроводных сетей и другие подобные устройств.

Благодаря широкому использованию Ethernet появилась возможность создавать на основе единого протокола конвергентные решения для передачи данных, подключения комплексов безопасности, соединения систем автоматизации зданий и производственных процессов. Совершенствование технологических решений, микропроцессоров и элементной базы привело к появлению комплексов автоматизации нового типа, что, в свою очередь, потребовало модернизации используемой кабельной инфраструктуры и стало стимулом для дальнейшего развития коммуникационной технологии Ethernet.

Так, в современных автомобилях широко применяются системы микропроцессорного управления компонентами, а также развлекательные комплексы с высоко-качественным видео и звуковым сопровождением. В новейших поездах бортовые электронные устройства и различные варианты аудио- и видеоразвлечений объединяются в системы, в которых используются километры кабелей.

Транспортные приложения оказали значительное влияние на появление новой разновидности Ethernet с одной витой парой. Она открывает путь к стандартизации инфраструктуры передачи данных для промышленных приложений и отказу от используемых ранее протоколов промышленных полевых шин.

Разработанные институтом инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) протоколы Ethernet для передачи данных по однопарному кабелю UTP или STP (100Base-T1 и 1000Base-T1) рассчитаны на межмашинные коммуникации, автомобильную автоматизацию и промышленные приложения.

Стандарт 802.3bp 1000Base-T1 регламентирует передачу трафика Ethernet по сбалансированной витой паре со скоростью 1 Гбит/с на расстояние от 15 до 40 м. Стандарт 802.3bw 100Base-T1 описывает передачу данных по сбалансированной витой паре с быстродействием 100 Мбит/с на расстояние до 15 м.

Системы на основе «однопарных» стандартов позволяют, помимо прочего, уменьшить вес пассивного сетевого оборудования на транспортных объектах и, соответственно, снизить их энергозатраты и воздействие на окружающую среду. По данным компании Harting, вес однопарного кабеля, предназначенного для передачи данных со скоростью 1 Гбит/с, почти на 30% меньше по сравнению с традиционными четырехпарными кабельными структурами.

Однопарный Ethernet соответствует также тенденции миниатюризации, что не менее важно в настоящее время, поскольку во всех отраслях промышленности оборудование становится все более компактным. Как известно, ранее требовались две витые пары для 100-мегабитных коммуникаций Fast Ethernet и четыре для Gigabit Ethernet.

ОДНОПАРНЫЙ ETHERNET ДЛЯ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ

Растущий интерес ко всем видам промышленной автоматизации, которая в соответствии с современными подходами предполагает, как правило, объединение в сети объектов, наделенных определенным интеллектом, стимулирует создание кабельных систем нового поколения.

Немалую роль играет применение технологии Интернета вещей в промышленности. Для многих она ассоциируется исключительно с мобильными коммуникациями. В значительной степени это происходит под влиянием многочисленных конференций, публикаций и обсуждений, организованных операторами связи, заинтересованными в использовании своей инфраструктуры для развертывания IoT.

Действительно, мобильные технологии весьма перспективны для приложений автоматизации, особенно если объекты распределены по значительной площади. Тем не менее среда и средства передачи данных не являются определяющими компонентами решений для Интернета вещей.

Принципиальное отличие систем IoT от традиционных комплексов автоматизации заключается в способности систем, развернутых на базе Интернета вещей, предоставлять и обрабатывать значительные объемы данных, формировать на этой основе сведения для принятия управленческих решений и приложений предиктивной аналитики.

Все это оказывается возможным благодаря двум основным факторам. Во-первых, появились недорогие миниатюрные датчики и исполнительные устройства, которые снабжены сетевыми интерфейсами, обладающими необходимой для систем IoT функциональностью. Во-вторых, для систем автоматизации сегодня доступны высокопроизводительные вычислительные ресурсы, которые размещаются в граничных мини-ЦОД, центральных центрах обработки данных и вычислительных облаках.

По оценкам аналитиков, к 2025 году инвестиции в Интернет вещей достигнут 6,2 трлн долларов, из них 2,3 трлн долларов будет потрачено на промышленную автоматизацию. В результате обработки данных комплексами IoT ожидается снижение временных и операционных затрат, в том числе за счет повышения надежности и предиктивного технического обслуживания оборудования.

Ведущие компании, работающие в области промышленной автоматизации, рассматривают системы на базе IoT в качестве эволюционного развития разработанных ранее технологий, продуктов и решений. Для многих поддерживаемых ими приложений нужны традиционные проводные коммуникации. И здесь на помощь приходит универсальная коммуникационная технология Ethernet, новая реинкарнация которой учитывает специфику комплексов IoT.

Однако в инфраструктуре Ethernet для систем IoT необходимо устранить определенные ограничения, свойственные традиционным структурированным кабельным системам. К ним относится недостаточное для ряда приложений автоматизации расстояние, на которое передаются данные: в стандартных СКС этот показатель не превышает 100 м.

В комплексах управления коммерческими зданиями и физической безопасностью, к примеру, применяются решения, в которых протяженность соединений больше 100 м. В сетях промышленной автоматизации длина каналов связи может достигать 1 км, что тоже не поддерживается действующими стандартами Ethernet. Вместе с тем для питания оконечных устройств зачастую достаточно подачи по коммуникационным кабелям небольшой мощности.

Все эти требования учитываются разработчиками нового «однопарного» стандарта Ethernet, рассчитанного на приложения автоматизации и системы на базе Интернета вещей.

СТАНДАРТ 10BASE-T1

В институте IEEE комитетом 802.3 сформирована рабочая группа 802.3cg Single Pair Ethernet для стандартизации коммуникаций на основе одной витой пары с дальностью передачи свыше 100 м, а при подготовке учитываются требования к сети со стороны решений автоматизации на базе Интернета вещей.

Предполагаемое название нового стандарта, который, как ожидают в рабочей группе 802.3cg, должен быть утвержден в июне 2019 года, — 10Base-T1. Разрабатываемые спецификации рассчитаны на передачу данных на небольшие (short-reach) и значительные (long-reach) расстояния.

10Base-T1S будет специфицировать тракт передачи данных до 15 м с четырьмя соединителями и диапазоном рабочих частот от 0,3 до 200 МГц, а 10Base-T1L — дальность до 1000 м, до 10 соединителей в тракте, частоты от 0,1 до 20 МГц.

Новый стандарт ориентирован на кабельные системы для коммерческого применения (в том числе для использования в автомобилестроении), а также на комплексы промышленной автоматизации, с помощью которых многочисленные датчики объединяются с исполнительными устройствами, передающими незначительные объемы данных.

На оконечные устройства, которые подключены к однопарной кабельной инфраструктуре, электропитание, как правило, требуется подавать дистанционно. Для этого разработчики намерены обеспечить соответствие 10Base-T1 требованиям спецификаций стандарта IEEE 802.3bu (Power over Data Lines, PoDL) — как для соединений точка-точка, так и для транкинговых схем подачи питания (Powered Trunk).

Со временем стандарт IEEE 802.3cg 10 Mb/s Single Twisted-Pair может стать реальной альтернативой наиболее популярным полевым шинам, применяемым в различных системах автоматизации (рис. 1).

Рис. 1. Производительность и дальность передачи данных для полевых шин

Источник: IEEE 802.3 CFI_01_0716.pdf

СТАНДАРТИЗАЦИЯ КАБЕЛЬНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

Группы стандартизации кабельных систем Американского национального института стандартов (American National Standards Institute, ANSI) и Ассоциации телекоммуникационной индустрии (Telecommunications Industry Association, TIA), а также Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) и Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission, IEC) приступили к разработке спецификаций трактов передачи данных различной длины для коммерческих и индустриальных приложений. Соответствующие спецификации содержат требования к кабелям, разъемам, коммуникационным шнурам и другим компонентам каналов однопарных коммуникаций.

К примеру, в TIA работают над стандартом TIA-568.5, где определяются однопарные соединения и их компоненты с быстродействием 10 Мбит/с для кабельных трактов длиной до 100 м, 100 Мбит/с — до 15 м, 1 Гбит/с — до 15 и 40 м. Кабели должны поддерживать технологию Power over Data Lines, то есть обеспечивать подачу мощности до 50 Вт по одной витой паре 24 AWG (American Wire Gauge, американский стандарт калибра проводов).

Разрабатываемое дополнение к промышленному стандарту TIA-1005 Industrial Cabling регламентирует кабельную проводку для передачи данных на расстояние до 1 км со скоростью 10 Мбит/с. Чтобы снизить потери, в трактах такой длины планируется применять витую пару с проводниками калибра 18 AWG.

Подобные разработки осуществляются и в ISO. Так, стандарты ISO 11801–9906 Ed. 1 и 11801–6 Ed.1/Amd.1 будут содержать спецификации однопарной кабельной проводки для коммерческих приложений, в которых требуется быстродействие 10, 100 и 1000 Мбит/с. Стандарты ISO I11801–3 Ed.1/Amd.1 будут посвящены кабельной инфраструктуре для промышленных решений.

ОДНОПАРНЫЕ КОННЕКТОРЫ

К важнейшим компонентам кабельной инфраструктуры относятся соединители. По предварительным оценкам экспертов, фронтальная площадь соединителей для однопарного Ethernet могла бы составлять от половины до трети соответствующей площади разъемов RJ45. Они разрабатываются в расчете на провода калибра 18–26 AWG, должны быть способны поддерживать ток до 1 А и могут выпускаться в экранированных и неэкранированных модификациях. Ведущие производители коммутационных продуктов уже подготовили свои решения.

Предложение компании CommScope основано на разъемах LC и учитывает требования стандарта IEC 63171–1. В этих разъемах оптические компоненты заменены металлическими контактами. Как заявляет разработчик, такие экранированные и неэкранированные компактные коннекторы просты в установке, что очень важно при монтаже в полевых условиях и в труднодоступных местах.

Соединители инсталлируются без применения сложных инструментов, а их контактные поверхности не уступают по надежности компонентам разъемов RJ45. Они вполне способны заменить используемые сегодня однопарные решения, не связанные с технологией Ethernet, считают в CommScope. Коннекторы, предложенные CommScope (рис. 2), предназначены для применения в коммерческих офисных приложениях (Mechanical, Ingress, Climatic, Electromagnetic, MICE1).

Рис. 2. Предложения CommScopе на базе разъемов LC

Источник: CommScope

На работу в промышленных условиях, включая наиболее сложную окружающую среду (MICE2/MICE3), рассчитаны разъемы, предложенные компанией Harting. Они соответствуют требованиям стандарта IEC 61076–3–125 и спецификациям IP65/67 по пыле- и влагозащищенности. Их компонентами могут служить в том числе хорошо известные в промышленных приложениях разъемы M8 и M12.

Экранированные модификации коннекторов Harting обеспечивают работу на частотах до 600 МГц. В предложенных разъемах предусмотрены поддержка технологии Power over Data Lines и передача напряжения питания на расстояние до 1 км. Коннекторы Harting представлены на рис. 3.

Источник: Harting

ВСЕОБЪЕМЛЮЩИЙ ETHERNET

Итак, 10Base-T1, новая технология Ethernet, будет поддерживать однопарные коммуникации и возможность одновременной передачи данных и напряжения питания (Power over Data Lines) по сбалансированной витой паре.

Появление однопарного Ethernet в значительной степени связано с интересами автомобилестроения. Однако в настоящее время эта технология становится все более значимой для различных приложений автоматизации, включая интеллектуальные здания и промышленное производство.

Ожидаемые коммуникации 10Base-T1 открывают новые возможности для цифровизации систем автоматизации нижнего уровня. С их появлением взаимодействие с датчиками и исполнительными устройствами в комплексах промышленной автоматизации и интеллектуальных зданиях может осуществляться посредством цифровых, а не аналоговых сигналов.

Упрощение кабельной инфраструктуры, уменьшение объемов кабельной продукции и сокращение сроков монтажа особенно важны в решениях на основе технологий Интернета вещей, оконечных устройств в которых намного больше, чем в современных системах автоматизации.

Ethernet, таким образом, становится всеобъемлющей коммуникационной технологией, охватывающей все компоненты современных объектов недвижимости — от систем управления зданием (Building Management System, BMS) до размещенных в них центров обработки данных. Кроме того, она унифицирует передачу данных для комплексов промышленной автоматизации — от датчиков до ИТ-инфраструктуры, поддерживающей ERP-приложения. Завершение разработки стандартов 10Base-T1 приближает появление и внедрение таких решений.

Алексей Чернобровцев, обозреватель «ComputerWorld Россия»

Читайте также: