Jste zde

SPE jako budoucnost průmyslové komunikace

Antonín Vojáček, 10. Červen 2021 - 20:09

SPE, neboli Single-Pair Ethernet, se má stát v nejbližších letech velmi využívanou komunikací v oblasti snadného přímého připojení senzorů do ethernetové sítě a cloudu. Pojďme se podívat, co SPE nabízí pro průmysl.

Ethernet v průmyslu

Počínaje rokem 2000 a dále souběžně si průmyslové odvětví začalo postupně osvojovat tzv. průmyslový Ethernet jako dominantní komunikační standard ve všech průmyslových odvětvích. Postupem času začal nahrazovat koncepčně starší systémy průmyslových sběrnic, jako jsou PROFIBUS, InterBus, CC-Link nebo DeviceNet. K tomuto účelu bylo standardizováno několik variant Ethernetu tak, aby vyhovoval v automatizovaném průmyslu specifické poptávce po velké šířce pásma a deterministické komunikaci v reálném čase.

Různé standardy průmyslového Ethernetu vycházejí od různých společností zabývajících se automatizací a mají odlišnou úroveň požadavků na modifikaci vrstev OSI modelu. Některé protokoly jsou založeny na klasickém ethernetovém systému využívajícím TCP / IP technologii adresování a přenosu (jako například Ethernet/IP nebo Modbus-TCP). Jiné mají upravenou 3. síťovou a 4. transportní vrstvu OSI modelu a některé vyžadují i upravený hardware podporující odlišnou 2. linkovou vrstvu pro zajištění svých specifických požadavků na rychlý přenos s definovanou latencí, zabezpečením dat a požadavky na chybovost apod. (např. Profinet, Powerlink či EtherCAT). Nejnovější ethernetový systém pro komunikaci v reálném čase Time-Sensitive Networking (TSN) pak ve finálním vydání IEEE provedl standardizaci funkcí komunikace v reálném čase na vrstvách 1, 2 a 3 pro společnou hardwarovou základnu.

Porovnání vrstev OSI modelu průmyslového Ethernetu a průmyslových protokolů na něm postavených.

Všeobecná složitost koncepce ethernetu a topologie sítě však omezuje jeho použití v jednoduchých periferních zařízeních, jako jsou senzory a akční členy. Tato mezera v celosíťové IP infrastruktuře založené na Ethernetu je nyní řešena snahou využít technologii Single-Pair Ethernet (SPE). Začátek standardizace tohoto Ethernetu založeného na jediném krouceném páru pochází z automobilového průmyslu. Zde doposud využívané standardy jako CAN nebo FlexRay jsou již pro moderní automobilové systémy příliš pomalé a málo flexibilní. Společný standard, který je má postupně zcela nahradit, byl proto nalezen u Ethernetu. Avšak kabeláž standardního Ethernetu by znamenala příliš vysoké náklady i hmotnost. Toho se jako první "chytla" společnost Broadcom, které před mnoha lety vytvořila první aplikace s variantou označenou jako BroadR Reach, aby ukázala, že jednoduchý kabel s kroucenými páry je dostatečný k poskytování vysokorychlostního přenosu dat na kratší vzdálenosti. Organizace IEEE pak převzal standardizační iniciativu podle známého standardu 802.3, vytvořila standard IEEE802.3 bw a následně rozšířila oblast působnosti také na průmyslovou a stavební oblast.

Oblast v průmyslu vhodná pro SPE (Single-Pair Ethernet) je zejména komunikace se senzory a akčními prvky.

Tak vznikly standardy jednopárového Ethernetu, které přidávají k vlastnostem standardního Ethernetu výhody tenčí kabeláže, malých konektorů s menším nárokům na prostor. Tyto výhody jsou pak vzhledem k množství využívané kabeláže v průmyslu zde také velmi žádoucí.

Single-Pair Ethernet

Komunikace Single-Pair Ethernet (SPE) redukuje spojení mezi dvěma komunikačními partnery na dva vodiče oproti kabeláži založené na CAT-5 nebo CAT-6 v současných standardech průmyslového Ethernetu. Zatímco současný průmyslový Ethernet 10Base-T / 100Base-TX, který je nejvíce nasazeným a adaptovaným standardem v průmyslu, používá dvě kroucené dvoulinky v tzv. full-duplex režimu, tedy jednotka přes jeden pár data vysílá a přes druhý je přijímá, při změně na jediný pár Ethernet pak musí jednotka vysílat i přijímat prostřednictvím stejného krouceného páru. Proto SPE vyžaduje jinou fyzickou vrstvu a následně tedy i různé vazby a převodníky.

Porovnání kabeláže klasického Ethernetu a SPE.

Jak již bylo zmíněno výše IEEE již pro SPE standardizovala několik rozdílných verzí s rozdílnými přenosovými rychlostmi a maximálními délkami kabelů mezi komunikujícími jednotkami. Pro různé aplikace v průmyslu se tak může hodit jiná varianta, jako např. pro přenos signálů ze senzorů versus komunikace mezi kamerovými senzory a HMI.

Doposud standardizované typy SPE s vhodností jejich použití v průmyslu.

Standard IEEE 802.3cg zahrnuje různé potřeby a požadavky různých senzorů, akčních členů a periferních aplikací. 10Base-T1L je nejvhodnější pro požadavky připojení hodně vzdálených senzorů, protože umožňuje při připojení mezi dvěma body délku kabelu až 1 000 m a tak velmi dobře zapadá do skutečně rozsáhlých průmyslových instalací. Pro zařízení konstruovaná pro ATEX výbušná prostředí pak vznikla definice fyzické vrstvy APL, která je stejná jako u verze T1L, ale přidává komponenty pro jiskrově bezpečné přenosy právě v Ex oblasti. Varianta 10Base-T1S pak poskytuje možnost multi-drop sériové sběrnicové topologie a technologii PLCA (PHY-Level Collision Avoidance) pro antikolizní přístup na sběrnici v half-duplex přenosovém režimu poskytující garantovanou maximální latenci. Multi-drop PLCA systém se tak dobře hodí pro efektivní dvouvodičové propojení komunikujících komponent na relativně krátkých vzdálenostech, například do instalací rozvaděčových skříní nebo jiných aplikací krátkého dosahu. Oba systémy tak sice vyžadují trošku odlišnou fyzickou vrstvu, ale spojení s horními vrstvami je stejné, takže hlavní změna zůstala pouze v jedné OSI vrstvě.

Porovnání SPE standardů 10Base-T1S a 10Base-T1L.

Standard IEEE 802.3bu pak definuje přenos napájení po datové lince, který je schopen přenášet až 50 W na jeden koncový bod. Tato funkce umožňuje zpětnou kompatibilitu s několika stávajícími síťovými standardy senzorů, které také napájí připojený senzor z centrálního kontroleru napájení.

Princip přenosu napájení po SPE k senzorům.

Budoucnost SPE v průmyslové automatizaci

Dle výše uvedeného je patrné, že standardizace jednopárového Ethernetu má již v současné době dostatečnou standardizovanou podobu pro potřeby průmyslové automatizace. Protože technologie fyzické vrstvy se již začaly používat v různých aplikacích automobilového průmyslu, mohou výrobci komponent i zařízení pro ostatní průmyslová odvětví již na tento stav navázat.

Úkolem je nyní přinést výhody SPE do praxe. V tomto směru záleží zejména na výrobcích průmyslový senzorů, kteří jsou hlavními hnacími silami pro automatizaci procesů, z nichž již od roku 2007 hodně sladilo své potřeby s dnes velmi rozšířeným komunikačním standardem IO-Link. Ten podporuje parametrizaci, diagnostiku a plnou integraci do systémů „Industry 4.0“. Přeprava rámců IO-Link přes 1000 m SPE by však přenesla point-to-point senzorovou síť do jakési průmyslové sběrnice. A právě na standardu IO-Link komunikace přes Single-Pair Ethernet se již horečnatě pracuje, prakticky se již dokončuje. O tom více v dalším článku " IO-Link over SPE - dál, rychleji a i sběrnicově " .