Od chwili opublikowania pierwszego standardu Ethernetu jednoparowego (Single Pair Ethernet – SPE), czyli standardu IEEE 802.3cg-2019 „Specyfikacje warstwy fizycznej oraz parametry zarządzania dla przesyłu danych z prędkością 10 Mb/s oraz zasilania urządzeń powiązanych przez sieć zbudowaną w oparciu o pojedyncze zrównoważone kable jednoparowe” („Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors”) tylko kwestią miesięcy było jego rozpowszechnienie się. Uzyskał on już nadzwyczajne zainteresowanie w branży. Często mówiłem, że SPE jest czymś najlepszym, co może się wydarzyć w branży Ethernetu od czasów jego opracowania. To śmiałe stwierdzenie, które najlepiej wyjaśnię sam w tym artykule.
SPE jest ukierunkowany na najważniejsze sieci z obecnie istniejących, czyli sieci OT. Jak powszechnie wiadomo, OT to akronim słów „technologia operacyjna” („operational technology”). Sieci OT to sieci automatyki, które wykonują kluczowe zadania, takie jak sterowanie przynoszącymi zysk zasobami firm czy zapewnianie komfortu i bezpieczeństwa mieszkańcom budynków.
Tak więc, na podstawie zastosowań Ethernetu, mówimy tu o automatyce przemysłowej i automatyce budynkowej. Sieci OT były i są dookoła nas. Wyższe poziomy tych sieci mogły już mieć wielkość Ethernetu – w większości umożliwiając przepływ informacji do sieci multimediów i danych, co służy firmom. Ale trzeba zauważyć, że sieci OT mają wiele różniących się od siebie protokołów na krawędzi sieci, w tym dla sygnałów analogowych 4-20 mA i całej gamy sygnałów cyfrowych, takie jak RS-485, RS-232, RS-422, Modbus, Profibus, DeviceNet, BACnet itd.
Oczekiwania użytkowników wobec połączeń sieciowych
Wielkim problemem związanym z tą długą listą odmiennych protokołów jest zagrożenie ciągłości biznesu. Protokoły te są starsze i dobrze znane starszym inżynierom. Duża ilość wiedzy fachowej może odejść z firm wraz z odejściem tych osób na emeryturę.
Misją standardu SPE jest zastąpienie tego szerokiego wachlarza różnych protokołów Ethernetem, tworząc potencjał powstania pojedynczego i bezproblemowego protokołu dla całej sieci firmowej. Wynikiem tego są sieci OT – o większych możliwościach, bezpieczniejsze i łatwiejsze w obsłudze.
Ponieważ SPE to Ethernet, istnieją pewne „oczekiwania konsumentów”. Moja opinia o tych oczekiwaniach jest podobna jak w przypadku SPE. W dzisiejszym świecie istnieją MILIARDY portów ethernetowych BASE-T. Wszyscy dobrze znamy Ethernet 4-parowy i jego niemal wszechobecne złącze RJ-45. Jeżeli widzimy wtyk RJ-45 na końcu kabla, to wiemy, że jest to kabel sieci Ethernet. Jesteśmy świadomi tego, że jest to standard typu „podłącz i używaj” (plug-and-play), łatwy w użyciu.
Jesteśmy świadomi również tego, że można zasilać urządzania podłączone do sieci za pomocą technologii PoE (Power over Ethernet). Gdy wkładamy wtyk RJ-45 do gniazda i słyszymy wyraźne kliknięcie, to wiemy, że połączenie zostało wykonane poprawnie. Takie jest więc „oczekiwanie konsumenta” wobec SPE. Ludzie będą oczekiwali, że standard SPE będzie miał swoje własne złącze RJ-45. I podobnie jak w przypadku RJ-45, SPE będzie posiadał cały zestaw wyspecjalizowanych złączy o solidnej konstrukcji, odpornej na warunki panujące na zewnątrz budynków. Podobnie do swojego 4-parowego kuzyna RJ-45, podstawowe złącze SPE będzie miało stopień ochrony IP-20. Wtyki będą podłączane do gniazd na panelach czołowych pracującego sprzętu, tak jak switche i kontrolery sieciowe.
Czym jest IEEE 802.3cg?
IEEE 802.3CG to standard Ethernetu 1-parowego, który obsługuje prędkości przesyłu danych do 10 Mbps i kable ethernetowe o długości do 1000 m oraz oferuje możliwości sieci wielopunktowej (multidrop). Podczas gdy w ostatnich badaniach nad rozwojem Ethernetu skupiano się głównie nad uzyskaniem ekstremalnie wysokich prędkości przesyłu danych, to nie każda aplikacja wymaga prędkości do 400 Gbps.
Co prawda wielu z nas rozumie, że celem opracowania tego standardu jest wypełnienie luki ethernetowej na krawędzi sieci, jednak możemy się zastanowić nad pytaniem: dlaczego wykorzystywany kabel sieciowy to akurat skrętka 1-parowa?
Uzasadnienia są następujące:
• skrętka 1-parowa pozwala na ponowne wykorzystanie kabla,
• w firmach zainstalowane są już skrętki 1-parowe, zwykle ekranowane,
• niektóre kable posiadają certyfikaty,
• długie kable obiektowe są kosztowne w instalowaniu (często w wypełnionym już korytku kablowym),
• węzły końcowe są łatwiejsze do wymiany,
• skrętka 1-parowa umożliwia jej wykorzystanie w aplikacjach, w których wymagane są małe gabaryty.
Więcej informacji podano w standardzie IEEEP802.3 „Ethernet 1-parowy z prędkością przesyłu danych 10 Mb/s”.
Nowe złącze dla standardu SPE
Standard SPE utoruje sobie drogę do masowego zastosowania w automatyce. Ponieważ jego celem jest krawędź sieci, to łączy on switch czy kontroler sieciowy z urządzeniem końcowym – zaworem, siłownikiem i być może także falownikiem czy regulatorem stopnia tłumienia. Switch lub kontroler sieciowy znajduje się w obudowie o stopniu ochrony IP20.
Drugi koniec kabla SPE (na urządzeniu) może znajdować się wewnątrz obudowy o stopniu ochrony IP20, takiej jak puszka czy skrzynka. Może to być także złącze przemysłowe przykręcane do portu na urządzeniu, takie jak wykorzystywane obecnie M8 czy M12.
Na szczęście specjaliści, którzy pracują nad stworzeniem standardów inżynierskich dla takich organizacji, jak IEEE, IEC czy TIA, znają wartość standaryzacji. Chociaż obecnie SPE jest jeszcze w wieku niemowlęcym, to istnieją już przeznaczone do niego standaryzowane złącza. Jednym z nich jest złącze „-1” wg IEC 63171-1, które wydaje się być „złączem RJ-45 dla SPE”.
Złącze „-1” ma kilka pożądanych cech, które są odpowiedzią na wymagania funkcjonalne oraz oczekiwania konsumentów. Złącze -1 jest standaryzowane na całym świecie. IEC (Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna) opublikowała standard IEC 63171-1, który opisuje to złącze.
Złącze -1 pracuje w paśmie do 600 MHz. Prędkość przesyłu danych 10 Mb/s, wynikająca ze zgodności SPE z IEEE 802.3cg, wymaga zaledwie ułamka tego pasma, jednak w miarę jak aplikacje SPE rozrastają się i dojrzewają, projektanci sieci będą domagali się zwiększenia prędkości. A zatem, używając nieco wyświechtanego określenia, złącze -1 jest „gotowe na przyszłość” („future ready”).
Złącze -1 prawdopodobnie wygląda znajomo. Wykorzystuje sprawdzoną konstrukcję mechaniczną, czyli złącza LC (Little Connector). Sprawdziło się doskonale podczas dziesięcioleci wykorzystywania w technice światłowodowej. Dlatego też jest ogólnie znane. Oczywiście dokonano wystarczających zmian fizycznych, aby zapobiec wkładaniu złącza -1, przeznaczonego do kabli miedzianych, do portu światłowodowego i odwrotnie. Ponadto, podobnie jak RJ-45, złącze -1 posiada zatrzask, który daje namacalny i słyszalny dowód poprawnego podłączenia.
Złącze -1 jest przeznaczone do kabli o przekroju żył 18 AWG (0,823 mm2). Ponadto pozwala na wykorzystanie na kablach o pełnej długości 1000 metrów dla warstwy fizycznej sieci Industrial Ethernet (PHY) według standardu 10BASET1L (IEEE 802.3cg). Reprezentuje to rzucającą się w oczy ilość transportowanych danych dla krawędzi sieci, gdy rozważamy przesył danych z prędkością 10 Mb/s przez kabel o długości
1 kilometra. Zauważmy, że niektóre protokoły firmowe obsługują dziś kable o długości 1000 m, jednak raczej przy prędkości przesyłu 31,2 kb/s.
Złącze -1 cechuje się małymi wymiarami. Złącze -1 daje więc użytkownikom i projektantom sprzętu korzyści, osiągając w przybliżeniu dwukrotnie większą gęstość połączeń niż RJ-45. Ta cecha jest ważna, ponieważ SPE jest przeznaczony do zastosowań na krawędzi sieci. Gdy urządzenia brzegowe stają się coraz mniejsze fizycznie, zaś na urządzenia sieciowe nakładane są ograniczenia konstrukcyjne, kompaktowa budowa jest obecnie wymaganiem, a nie tylko modą.
Ponadto, wraz z nadejściem zastosowań technologii IIoT i koncepcji Przemysłu 4.0, złącza SPE muszą być małe, aby były kompatybilne z wdrażanymi urządzeniami IIoT.
Złącze -1 posiada sprawdzoną interoperacyjność. Obecne teraz na rynku złącza -1 są produkowane przez dwie firmy. Każdy z tych producentów przesłał swoje złącza do Laboratoriów ETL, które potwierdziły interoperacyjność. Jest ona zabezpieczeniem przed wszystkimi problemami „z jedynego źródła”. Według mnie SPE robi bardzo wiele dla sieci OT. Uzyskujemy funkcjonalność, bezpieczeństwo danych, wysoką prędkość przesyłu, niezawodność i wyeliminowanie potencjalnych zagrożeń dla firm. Oraz nie musimy zmieniać sposobu tworzenia naszych sieci OT, ponieważ SPE jest tak zaprojektowany, aby obsługiwał wymagane topologie sieci, takie jak PPP (point-to-point) na długim dystansie oraz wielopunktowe multidrop (trunk-and-spur).
Organizacje przemysłowe, takie jak TIA, ODVA i Profi International, tworzą obecnie standardy wspierające IEEE 802.3cg. Jeszcze przed sfinalizowaniem standardu 802.3cg eksperci z komisji IEEE sformowali kolejną grupę roboczą do opracowania standardów SPE, zwaną grupą badawczą. Grupie tej przyznano status grupy zadaniowej (task force) w celu opracowania kolejnego standardu SPE o nazwie IEEE 802.3da.
Nowe organizacje, takie jak Grupa APL, obecnie pracują dokładnie nad stworzeniem zoptymalizowanej dla przemysłu procesowego wersji SPE o nazwie Ethernet-APL. Każdy z głównych producentów automatyki z pewnością umieścił ten potężny nowy protokół na swojej mapie drogowej. Jest on przedmiotem wielkiej kampanii organizacji Ethernet Alliance, której celem są sieci OT. Dlatego prawdopodobnie SPE będzie popularniejszy od piwa bezalkoholowego. No cóż, skupmy się chwilę nad tym. Złącze -1 jest „złączem RJ-45” dla SPE. Przeczytaliście o tym pierwszy raz tutaj. W celu uzyskania większej ilości informacji na temat prac firmy Panduit nad SPE prosimy odwiedzić stronę www.panduit.com/singlepairethernet .
Inne doskonałe zasoby informacji na temat SPE można znaleźć na stronach organizacji Ethernet Alliance www.ethernetalliance.org oraz TIA SPEC-OT, www.tiaonline.org.
Bob Voss jest starszym głównym inżynierem ds. badawczych w dziale badawczo-rozwojowym firmy Panduit). Obszary praktyki Boba Vossa to automatyka przemysłowa
oraz Internet Rzeczy. Jest on odpowiedzialny za alianse strategiczne i współpracę partnerską, badania ukierunkowane na przyszłość, badania nad podejmowaniem decyzji,
szacowanie wartości spółki przejmowanej (M&A evaluation) oraz zarządzanie uczestnictwem firmy Panduit w pracach nad sieciami CPwE (Converged Plantwide Ethernet). Ponadto reprezentuje firmę Panduit przed kilkoma organizacjami opracowującymi standardy, w tym IEEE, ODVA, TIA and NEMA.
