Dezvoltată inițial la Xerox PARC în anii 1970, tehnologia Ethernet a parcurs un drum lung de la ratificarea sa ca standard IEEE 802.3 în 1983. Aceasta a evoluat pentru a suporta rețele din ce în ce mai rapide, mai multe noduri și distanțe mai mari, păstrând în același timp compatibilitatea cu versiunile anterioare.
Inițial, Ethernet-ul a fost destinat aplicațiilor de rețea pentru sisteme de calculatoare de birou și centre de date bazate pe tehnologia informației (IT). Adoptarea sa pe scară largă a însemnat, totodată, o reducere a costurilor datorită economiilor de scară, ceea ce a făcut din Ethernet o soluție accesibilă și disponibilă publicului larg, înlocuind tehnologiile de rețea tradiționale în multe domenii. Nu a trecut mult timp până când reziliența și fiabilitatea sa au făcut ca Ethernet-ul să iasă din domeniul IT și să ajungă la multe alte aplicații de tehnologie operațională (OT), inclusiv infrastructura de telecomunicații, automatizarea clădirilor și aplicațiile industriale. Dar expansiunea tehnologiei Ethernet nu s-a oprit aici, fiind implementată în multe alte aplicații din industria auto, aerospațială și robotică.
Datorită vitezelor mai mari, Ethernet-ul a devenit acum o soluție de rețea utilizată pe scară largă pentru echipamentele de automatizare industrială, cu un interes tot mai mare pentru automatizarea proceselor. Totuși, utilizarea sa a fost restricționată de probleme fizice, cauzate de cablarea standard Cat 5 și Cat 6. Acest tip de cablu utilizează patru perechi răsucite, iar dimensiunea, greutatea și raza de curbură limitată care rezultă pot reprezenta o problemă pentru ingineri – în special pentru instalațiile din interiorul vehiculelor sau al automatizărilor robotizate, unde acești factori sunt esențiali în proiectare.
Pentru a depăși aceste probleme, a fost dezvoltată soluția Single-pair Ethernet (SPE). După cum sugerează și numele, SPE utilizează doar o singură pereche răsucită de fire de cupru. Pe lângă eliminarea provocărilor legate de cablarea fizică, SPE extinde potențialul pentru multe aplicații noi, datorită abilității sale de a furniza energie electrică, precum și de a transporta date. Nefiind nevoie de un cablu de alimentare separat, acest lucru reduce costurile de instalare și întreținere și sporește flexibilitatea, permițând o amplasare facilă a dispozitivelor aflate departe de prizele de alimentare.
În acest articol, vom explora SPE și avantajele pe care le poate oferi și vom examina funcționalități suplimentare, cum ar fi livrarea de energie prin aceeași pereche torsadată utilizată pentru transferul de date, cunoscută și sub numele de Power over Data Line (PoDL) și Single-pair Power over Ethernet (SPoE).
SPE rezolvă provocările fizice generate de cablarea Cat 5 și Cat 6
SPE este definit de standardul IEEE 802.3cg, introdus în 2019, care suportă viteze de până la 10Mb/s. Acest lucru înseamnă că este mai rapid decât unele standarde tradiționale consacrate. De exemplu, rețeaua CAN (Controller Area Network), utilizată frecvent în vehicule, suportă doar până la aproximativ 1Mb/s. Acest lucru este suficient pentru utilizările tradiționale ale CAN în domeniul auto – cum ar fi trimiterea de semnale pentru a acționa sistemele de semnalizare sau încuietori – dar nu este suficient de rapid pentru a transporta date video de la camerele de luat vederi sau senzorii radar din mașină.
Standardul 802.3cg definește două protocoale PHY (physical layer), destinate unor cazuri de utilizare diferite:
- 10BASE-T1L permite legături Ethernet punct-la-punct de până la 1.000 m, cu livrare de energie disponibilă ca opțiune.
- 10BASE-T1S permite transmisii punct-la-punct de 10MB/s la distanțe de până la 15m. Comunicația multidrop half-duplex suportă 10Mb/s până la 25m.
Figura 1: Rețele bazate pe SPE. (Sursa: Ethernet Alliance)
10BASE-T1S este o alegere bună pentru distanțe mai scurte și locații în care pot exista niveluri ridicate de zgomot (cum ar fi aplicațiile pentru automobile), în timp ce 10BASE-T1L oferă raza de acțiune necesară pentru fabrici sau clădiri mari (Figura 1). Ambele variante și-au găsit aplicații și în Internetul industrial al lucrurilor (IIoT).
SPE a permis extinderea sferei de acoperire a rețelei Ethernet de la birouri și centre de date la Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) și deservirea unei game largi de utilizări OT. Conectarea dispozitivelor direct la cloud poate elimina costuri și complexitate substanțiale din instalațiile de producție cu sute sau chiar mii de senzori și actuatoare care, anterior, ar fi avut nevoie de gateway-uri sau de interfețe periferice de un anumit tip.
Deoarece perechea torsadată utilizată de SPE poate fi mai mică și mai ușoară – decât variantele de cablare Cat 5 și Cat 6 cu tradiționalele lor patru perechi torsadate – aceasta se potrivește mai bine în aplicațiile industriale și auto cu constrângeri de spațiu sau în cazul în care există obiective stricte legate de greutatea sistemului.
Privind spre viitor, pentru SPE au fost deja definite viteze de date mai mari, standardele IEEE fiind deja ratificate sau în curs de elaborare, ceea ce duce vitezele de date până la 1 Gb/s și chiar mai departe.
“Power Delivery” accelerează adoptarea SPE
Pe lângă depășirea provocărilor legate de cablarea fizică, SPE extinde potențialul pentru multe aplicații noi, permițând livrarea de energie (power delivery) și transferul de date pe o singură pereche de fire. De exemplu, în mediile de birouri, furnizarea de energie prin cablarea de date Ethernet este adesea mult mai simplă și mai ieftină decât instalarea de linii de alimentare dedicate către dispozitivele aflate la distanță. Acest lucru ajută la adăugarea mai rapidă și mai ușoară de noi echipamente sau la efectuarea de modificări într-o rețea. În plus, pentru unele dispozitive portabile care depind de baterii, SPE cu alimentare poate crește fiabilitatea sistemului și poate elimina cerințele de întreținere legate de înlocuirea bateriilor consumate.
Există două variante utilizate frecvent pentru alimentarea cu energie pentru cablarea SPE:
- PoDL
- Standardizată în IEEE 802.3bu
- Destinată rețelelor de automobile
- Furnizează energie electrică (Clasa 0 până la 9) de 12V, 24V sau 48V
- Distanțe de până la 40 m
- Țintește sistemele de inginerie bazate pe detecție
- SPoE
- Denumire pentru sistemele IEEE 802.3cg
- Destinat rețelelor OT și industriale
- Furnizează energie electrică (Clasa 10 până la 15) de 24V sau 54V
- Furnizare de energie până la 1.000 m
- Se utilizează în sistemele bazate pe clasificare
SPoE utilizează conceptele de echipament de alimentare (PSE – Power Sourcing Equipment) și dispozitiv alimentat (PD – Powered Device). Practic, PSE este sursa de alimentare, iar PD este sarcina. Protocolul de clasificare este definit (prin IEEE 802.3cg) pentru a asigura compatibilitatea clasei de putere a PSE și PD și pentru a evita alimentarea cu energie într-un scurtcircuit, un circuit deschis sau un echipament Ethernet care este incompatibil sau nepotrivit. Figura 2 prezintă un exemplu de arhitectură de circuit.
Figura 2: Arhitectura de bază a circuitului PoDL. (Sursa: Analog Devices)
Înainte de a fi aplicată alimentarea, PSE și PD fac un mic schimb de informații, iar acest proces de stabilire a legăturii (handshaking) le permite să determine dacă cerințele lor de tensiune și de alimentare sunt compatibile. PSE nu asigură tensiunea totală până când nu este conectat un PD compatibil și elimină rapid tensiunea atunci când PD este deconectat sau dacă este detectată o defecțiune.
Implementarea SPoE
Pentru a ilustra arhitectura unei aplicații SPoE OT, să folosim exemplul unui sistem bazat pe două controlere de la Analog Devices: controlerul SPoE PSE LTC4296-1 cu cinci porturi și controlerul industrial SPoE PD LTC9111.
Analog Devices a fost prima companie de pe piață care a lansat soluții SPoE PSE și PD conforme cu IEEE 802.3cg. ADI oferă o soluție completă PHY, PSE și PD, conformă cu IEEE 802.3cg pentru a asigura interoperabilitatea. Printre funcțiile oferite se numără clasificarea și detectarea defecțiunilor și a deconectării.
Figura 3: Schema de aplicație pentru circuitul LTC4296-1 de la Analog Devices (Notă: Este prezentat doar unul dintre cele cinci porturi). (Sursa: Analog Devices)
LTC4296-1 (Figura 3) a fost proiectat pentru interoperabilitate cu PD-uri 802.3cg în sisteme de 24V sau 54V și controlează și monitorizează furnizarea de energie pentru până la cinci PD-uri punct-la-punct. Acesta oferă o soluție PSE versatilă pentru controlere și switch-uri 10BASE-T1L și poate fi ușor de integrat cu portofoliul de transmițătoare 10BASE-T1L de la Analog Devices, cum ar fi ADIN1100 PHY, ADIN1110 MAC-PHY și switch-ul cu două porturi ADIN2111.
LTC9111 (Figura 4) este primul controler PD din lume compatibil cu IEEE 802.3cg. Acesta are o capabilitate de operare într-un domeniu larg de tensiune, de la 2,3V la 60V, cu corecție de polaritate, ceea ce îl face foarte potrivit pentru sistemele bazate pe clasificare în automatizarea clădirilor și a fabricilor.
Figura 4: Schema de aplicație pentru circuitul LTC9111 de la Analog Devices. (Sursa: Analog Devices)
Pentru a solicita alimentare, LTC9111 prezintă o clasă validă către PSE. Circuitul de aplicație al LTC9111 utilizează MOSFET-uri externe pentru reducerea pierderilor de energie, optimizarea costului sistemului și îmbunătățirea toleranței la defecțiuni.
Analog Devices oferă, de asemenea, kitul de evaluare EVAL-SPoE-KIT-AZ (Figura 5), care ajută echipele de ingineri însărcinate cu prototiparea unui proiect SPoE PSE/PD prin simplificarea dezvoltării și reducerea timpului de comercializare.
Kitul de evaluare include atât LTC4296-1, cât și LTC9111, precum și cablurile și interfețele necesare. ADIN1100 10BASE-T1L PHY de la Analog Devices asigură datele Ethernet în sistem.
Figura 5: Configurarea plăcii pentru kitul de evaluare EVAL-SPoE-KIT-AZ de la Analog Devices. (Sursa: Mouser Electronics)
Rețea fiabilă și eficientă folosind SPE și SPoE
SPE aduce avantajele Ethernet-ului în aplicațiile OT, industriale și auto, oferind o rețea fiabilă și eficientă la viteze de ordinul megabiților. Cu o interoperabilitate asigurată de 802.3cg și alte standarde IEEE, SPE devine, rapid, tehnologia de comunicații aleasă în multe industrii care, anterior, s-ar fi bazat pe un amestec de rețele tradiționale.
Permițând trimiterea energiei prin intermediul cablurilor de date cu perechi torsadate, SPoE simplifică instalarea rețelelor SPE și face ca acestea să fie mai ieftine și mai rapid de implementat. De asemenea, SPoE este de mare utilitate în cazul în care spațiul și greutatea sunt limitate.
Pentru inginerii care doresc să proiecteze SPE și SPoE în sistemele lor, kiturile de evaluare, cum ar fi EVAL-SPoE-KIT-AZ de la Analog Devices, oferă o modalitate simplă și rapidă pentru a începe implementarea imediat.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
