|
|
 |
|
|
|
Energetyka, Automatyka przemysłowa, Elektrotechnika
|
|
|
|
|
|
|
Opracowany w ośrodku badawczym Xerox PARC w latach 70. standard Ethernet znacznie się rozwinął od momentu jego zatwierdzenia w normie IEEE 802.3 z 1983 roku. Ewoluował stopniowo, obsługując coraz szybsze sieci, większe liczby węzłów i większe odległości, zarazem zachowując kompatybilność wsteczną z poprzednimi wersjami.
Ethernet był początkowo przeznaczony do obsługi aplikacji sieciowych dla komputerów stacjonarnych i systemów centrów danych w branży technologii informacyjnej (IT). Jego powszechne przyjęcie oznaczało także obniżenie kosztów ze względu na ekonomię skali, dzięki czemu stał się przystępnym cenowo, szeroko dostępnym rozwiązaniem, zastępującym w wielu dziedzinach starsze technologie sieciowe. Odporność i niezawodność Ethernetu szybko doprowadziły do jego popularyzacji poza branżą IT również w wielu innych zastosowaniach technologii operacyjnych (OT), m.in. w infrastrukturze telekomunikacyjnej, automatyce budynków i przemyśle. Jednakże ekspansja tej technologii na tym się nie zatrzymała i Ethernet jest stosowany również w wielu zastosowaniach motoryzacyjnych, lotniczych oraz robotycznych.
Dzięki wyższym prędkościom transmisji Ethernet stał się szeroko stosowaną metodą łączenia w sieć urządzeń automatyki przemysłowej, w której rośnie zainteresowanie automatyzacją procesów. Jednakże jego użyteczność ograniczały jak dotąd właściwości mechaniczne standardowego okablowania kategorii Cat 5 i Cat 6. W kablach tego rodzaju znajdują się cztery skręcone pary przewodów, przez co ich grubość, waga i ograniczony promień gięcia mogą stanowić problem dla inżynierów – szczególnie w pojazdach i zautomatyzowanych robotach, gdzie te czynniki mają kluczowe znaczenie dla projektu.
Aby rozwiązać te problemy, opracowano Ethernet jednoparowy (SPE). Jak sugeruje jego nazwa, SPE wykorzystuje tylko jedną skręconą parę przewodów miedzianych. Oprócz eliminacji problemów mechanicznych, związanych z okablowaniem, rozszerza to potencjał SPE na wiele nowych zastosowań dzięki możliwości dostarczania zasilania jednocześnie z przesyłem danych. Wyeliminowanie oddzielnych przewodów zasilających zmniejsza koszty instalacji i konserwacji oraz zwiększa elastyczność, ułatwiając instalowanie urządzeń z dala od gniazdek elektrycznych.
W tym artykule przedstawimy standard SPE i potencjalne korzyści z jego stosowania, a także przyjrzymy się dodatkowym funkcjom, takim jak dostarczanie zasilania przez skrętkę używaną do przesyłania danych, znane również jako zasilanie przewodami do przesyłu danych (PoDL) lub jednoparowe zasilanie przez Ethernet (SPoE).
SPE został zdefiniowany w normie IEEE 802.3cg wprowadzonej w 2019 r. i obsługuje prędkości do 10 Mb/s. Oznacza to, że jest szybszy niż niektóre popularne starsze standardy. Na przykład magistrala Controller Area Network (CAN), powszechnie stosowana w pojazdach, obsługuje prędkości tylko do około 1 Mb/s. Wystarcza to do tradycyjnych zastosowań CAN w motoryzacji, takich jak wysyłanie sygnałów do obsługi kierunkowskazów czy zamków, lecz nie do przesyłania danych obrazu z kamer samochodowych czy czujników radarowych.
10BASE-T1S jest dobrym wyborem w przypadku mniejszych odległości i miejsc, w których może występować wysoki poziom zakłóceń (np. w motoryzacji), natomiast 10BASE-T1L zapewnia zasięg wymagany w dużych fabrykach lub budynkach (ilustracja 1). Oba warianty znalazły również zastosowanie w przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT).
Ilustracja 1. Sieć oparta na SPE (źródło: Ethernet Alliance, https://ethernetalliance.org/wp-content/uploads/2020/08/EA_TechBrief-SPE-OT_final.pdf)
Standard SPE umożliwił rozszerzenie zastosowań Ethernetu z biur i centrów danych na przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) i obsługę szerokiego zakresu zastosowań OT. Podłączanie urządzeń bezpośrednio do chmury może wyeliminować znaczne koszty i złożoność w zakładach produkcyjnych wyposażonych w setki, a nawet tysiące czujników i napędów, które wcześniej wymagały dodatkowych bramek lub interfejsów peryferyjnych.
Skrętka wykorzystywana przez SPE może być cieńsza i lżejsza niż kable kategorii Cat 5 i Cat 6, tradycyjnie zawierające cztery skręcone pary przewodów, więc lepiej nadaje się do zastosowań przemysłowych i motoryzacyjnych o ścisłych ograniczeniach dostępnego miejsca lub masy systemu.
Patrząc w przyszłość, dla SPE zdefiniowano już wyższe szybkości transmisji danych, ponieważ zostały wprowadzone lub są w trakcie opracowywania normy IEEE zwiększające szybkość transmisji danych do 1 Gb/s i wyższych.
SPE nie tylko rozwiązuje fizyczne problemy związane z okablowaniem, lecz również rozszerza potencjał wielu nowych zastosowań, umożliwiając jednoczesne dostarczanie zasilania i przesyłanie danych jedną parą przewodów. Na przykład w środowiskach biurowych dostarczanie zasilania przez kable Ethernet przeznaczone dla danych jest często znacznie łatwiejsze i tańsze niż prowadzenie osobnych przewodów zasilających do oddalonych urządzeń. Pomaga to w szybszym i łatwiejszym dodawaniu nowych urządzeń i wprowadzaniu zmian w sieci. Co więcej, w przypadku niektórych urządzeń przenośnych zasilanych bateryjnie użycie SPE z zasilaniem może zwiększyć niezawodność systemu i wyeliminować potrzebę utrzymania związaną z wymianą wyczerpanych ogniw.
SPoE stosuje pojęcia urządzeń dostarczających zasilanie (PSE) i urządzeń zasilanych (PD). Oznacza to, że PSE jest źródłem zasilania, a PD obciążeniem. W celu zapewnienia zgodności klas zasilania urządzeń PSE i PD oraz uniknięcia dostarczania energii do obwodu zwartego, obwodu otwartego albo niekompatybilnych lub niewłaściwych urządzeń sieci Ethernet, zdefiniowany został protokół klasyfikacji (w normie IEEE 802.3cg). Ilustracja 2 przedstawia przykładową architekturę obwodu.
Ilustracja 2. Podstawowa architektura obwodu PoDL (źródło: Analog Devices)
Przed włączeniem zasilania urządzenia PSE i PD wymieniają się niewielką ilością informacji. Ten proces uzgadniania umożliwia im ustalenie, czy ich wymagania dotyczące napięcia i mocy są zgodne. PSE nie przykłada pełnego napięcia, dopóki nie zostanie podłączone kompatybilne urządzenie PD, oraz szybko odłącza pełne napięcie w przypadku odłączenia PD lub wykrycia usterki.
Aby zilustrować sposób projektowania zastosowania SPoE w OT, posłużymy się przykładem systemu opartego na dwóch kontrolerach firmy Analog Devices: pięcioportowym kontrolerze SPoE PSE LTC4296-1 i przemysłowym kontrolerze SPoE PD LTC9111.
Firma Analog Devices jako pierwsza wprowadziła na rynek rozwiązania PSE i PD SPoE zgodne z normą IEEE 802.3cg. Oferuje ona kompletne rozwiązania PHY, PSE i PD, zgodne z normą IEEE 802.3cg w celu zapewnienia interoperacyjności. Dostępne funkcje obejmują klasyfikację oraz wykrywanie błędów i rozłączeń.
Kontroler LTC4296-1 (ilustracja 3), zaprojektowany do współpracy z urządzeniami PD 802.3cg w systemach 24 lub 54 V, kontroluje i monitoruje dostarczanie mocy do maksymalnie pięciu urządzeń PD w topologii punkt-punkt. Układ ten stanowi wszechstronne rozwiązanie PSE dla kontrolerów oraz przełączników 10BASE-T1L i może być łatwo integrowany z urządzeniami nadawczo-odbiorczymi 10BASE-T1L z portfolio firmy Analog Devices, takimi jak ADIN1100 PHY, ADIN1110 MAC-PHY i dwuportowy przełącznik ADIN2111.
Ilustracja 3. Typowy schemat aplikacyjny LTC4296-1 firmy Analog Devices (uwaga: pokazano tylko jeden z pięciu portów; źródło: Analog Devices)
LTC9111 (ilustracja 4) to pierwszy na świecie kontroler PD zgodny z normą IEEE 802.3cg. Charakteryzuje się szerokim zakresem napięć pracy od 2,3 do 60 V z korekcją polaryzacji, dzięki czemu doskonale nadaje się do systemów opartych na klasyfikacji w automatyce budynków i fabryk.
Ilustracja 4. Schemat aplikacyjny LTC9111 firmy Analog Devices (źródło: Analog Devices)
Aby zażądać zasilania, układ LTC9111 prezentuje prawidłową klasę urządzeniu PSE. Obwód aplikacyjny LTC9111 zawiera zewnętrzne tranzystory MOSFET, które minimalizują straty mocy, optymalizują koszty systemu i zwiększają odporność na awarie.
Firma Analog Devices oferuje również zestaw ewaluacyjny EVAL-SPoE-KIT-AZ (ilustracja 5), który pomaga zespołom projektowym w prototypowaniu SPoE PSE/PD, upraszczając rozwój i skracając czas wprowadzenia produktu na rynek.
Ilustracja 5. Konfiguracja płytki zestawu ewaluacyjnego EVAL-SPoE-KIT-AZ firmy Analog Devices (źródło: Mouser Electronics)
Zestaw ewaluacyjny zawiera układy LTC4296-1 oraz LTC9111, a także niezbędne kable i interfejsy. Układ ADIN1100 10BASE-T1L PHY firmy Analog Devices dostarcza w systemie dane w standardzie Ethernet.
Ethernet jednoparowy wnosi zalety standardu Ethernet do zastosowań OT, przemysłowych i motoryzacyjnych, zapewniając niezawodną, wydajną łączność sieciową o prędkości mierzonej w megabitach. Dzięki interoperacyjności zapewnionej przez 802.3cg i inne normy IEEE szybko staje się on technologią komunikacyjną wybieraną w wielu branżach, które wcześniej polegały na kombinacji starszych standardów sieciowych.
Umożliwiając przesyłanie zasilania przez skrętkę przewodów do przesyłu danych, SPoE upraszcza instalację sieci SPE oraz obniża koszty i przyspiesza ich wdrożenie. Jest to szczególnie przydatne w przypadku ograniczeń dostępnego miejsca i masy.
Dla inżynierów, którzy chcą zaprojektować i wdrożyć SPE i SPoE w swoich systemach, zestawy ewaluacyjne takie jak Analog Devices EVAL-SPoE-KIT-AZ stanowią prosty sposób na szybkie rozpoczęcie pracy.
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
