SPE: w gąszczu norm

Dzięki SPE nowa warstwa fizyczna wkracza do świata komunikacji Ethernet. Single Pair Ethernet, opracowany najpierw na potrzeby branży motoryzacyjnej, rozwija się obecnie jako kluczowa technologia przyszłych generacji automatyki przemysłowej. Ethernet IP może być w końcu przesyłany w sposób ciągły z chmury do poziomu urządzenia za pomocą tylko jednej pary miedzianych przewodów. W przemyśle protokoły komunikacyjne i infrastruktura podlegają ścisłym regułom. Aby zapewnić interoperacyjność i wymienność, kluczowym zadaniem jest standaryzacja - dotyczy to również Ethernetu jednoparowego SPE.

Materiał ma za zadanie wyjaśnić pracę międzynarodowych komitetów, aktualny stan normalizacji wokół nowej warstwy fizycznej SPE oraz opisuje sposób przejścia do IIoT.

Podstawowe standardy SPE

Międzynarodowe, jednolite standardy są ważne i konieczne zwłaszcza w przypadku systemów komunikacyjnych, ponieważ tylko w ten sposób można planować, konfigurować i obsługiwać ogólnoświatowe sieci Ethernet. Następujące dokumenty i organizacje odgrywają istotną rolę w procesie standaryzacji SPE:

• IEEE 802.3 - protokoły Ethernet, MDI, segment łącza

• IEC SC46C - symetryczne kable miedziane (seria IEC 61156-x)

• IEC SC 48B - łączność (seria IEC 63171-x)

• ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 - Okablowanie ogólne (seria ISO/IEC 11801)

• IEC SC65C - sieci przemysłowe, okablowanie (serie IEC 61918 i IEC 61784-5)

• ANSI/TIA TR-42 - systemy okablowania (obowiązuje dla Ameryki Północnej)

Rysunek: Wzajemne zależności norm dotyczących SPE © SPE

IEEE 802.3 określa podstawową metodę transmisji i określa specyfikację kanału transmisji (długość transmisji i liczba złączy). Komitety okablowania ISO/IEC i TIA rozpatrują kanał transmisji i uzyskują dostęp do odpowiednich grup IEC dla złączy i kabli. Istnieje ścisła współpraca między IEEE802.3 a ISO/IEC i TIA.

Protokół Ethernet IEEE 802.3

Ten diagram przedstawia opublikowane protokoły SPE z odpowiadającymi im możliwymi długościami transmisji i innymi istotnymi szczegółami.

Oprócz ‘klasycznych’ protokołów SPE point-to-point (P2P) przedstawionych powyżej, dostępny jest również typ BUS 10BASE-T1S. Są one również kompatybilne z technologią zdalnego zasilania Power over DataLine (PoDL). Standard 10BASE-T1S transmisja punkt-wiele punktów (point-to-multipoint, P2MP) lub, jak nazywa to IEEE802.3, system transmisji multi-drop, dzięki czemu działa jak magistrala Ethernet za pośrednictwem nieekranowanego kabla o długości co najmniej 25 m, łączącego co najmniej 8 urządzeń. Obecnie nie można tu używać zasilania w trybie PoDL. Grupa robocza IEEE802.3da pracuje nad najnowszą generacją, chcąc zwiększyć liczbę węzłów magistrali do co najmniej 16 oraz długość transmisji do co najmniej 50 metrów.

Rysunek: Protokoły transmisji SPE © SPE

IEC 61156-X – normalizacja kabli SPE

W ramach grupy roboczej IEC SC46C zajmującej się standaryzacją kabli do transmisji danych jako towarów pomiarowych, realizowane są następujące projekty norm:

• IEC 61156-11-SPE - kabel do transmisji danych o szerokości pasma do 600 MHz do instalacji stałej (opublikowano ostateczną wersję 1 wydania)

• IEC 61156-12-SPE - kabel do transmisji danych o szerokości pasma do 600 MHz dla instalacji elastycznej (opublikowano ostateczną wersję 1 wydania)

• IEC 61156-13-SPE - kabel do transmisji danych o szerokości pasma do 20 MHz do instalacji stałej (dostępna płyta CD)

• IEC 61156-14-SPE - kabel do transmisji danych o szerokości pasma do 20 MHz do instalacji elastycznej (publikacja 1 wersji planowana na 07.2022)

W przypadku norm IEC 61156-11 i -12, przygotowywana jest druga edycja dla szerokości pasma 1250 MHz w celu obsługi kanału transmisji SPE T1-C w ISO / IEC 11801-1. W przyszłości będą przygotowywane kolejne projekty standardów, przewidziane dla wyższych przepustowości, w celu obsługi szybkości transmisji danych powyżej 1 Gbit/s.

IEC 63171 normalizacja technologii połączeń SPE

Pierwszy projekt standardu złącza SPE został przedłożony przez HARTING jeszcze w 2016 roku i opublikowany jako IEC 61076-3-125. W 2017 roku firma CommScope zgłosiła do standaryzacji kolejną stronę złącza SPE i podjęto decyzję o stworzeniu wspólnej serii norm IEC 63171 dla wszystkich złączy SPE. W związku z tym został powołany zespół projektowy PT63171, który  zlecił stworzenie nowej serii standardów. Normy będące w toku w tamtym czasie zostały ukończone jako samodzielne dokumenty, a następnie włączone do nowej serii norm w ramach rewizji. Następujące projekty standardów zostały już opublikowane lub są w toku realizacji:

• IEC 63171 - standard podstawowy, opisujący  wszystkie specyfikacje i sekwencje testowe (opublikowano wydanie 1)

• IEC 63171-1-SPE- wtyczka firmy CommScope, zawierająca blokadę LC dla aplikacji M1I1C1E1 (opublikowano wydanie 1, rozpoczęto prace nad wydaniem drugim)

• IEC 63171-2-SPE - złącza firmy Reichle & De-Massari do aplikacji M1I1C1E1 (opublikowane wydanie 1)

• IEC 63171-3-SPE- wtyk firmy Siemon oparty na parze znanych złącz Tera dla aplikacji M1I1C1E1 (wycofane)

• IEC 63171-4-SPE- wtyczka firmy BKS dla aplikacji M1I1C1E1 (dostępna płyta CD)

• IEC 63171-5 - wtyczka SPE firmy Phoenix Contact, oparta na powierzchni współpracującej IEC 63171-2 dla aplikacji M2I2C2E2 i M3I3C3E3 (drugi CD w przygotowaniu)

• IEC 63171-6 (wcześniej oznaczone jako IEC 61076-3-125) - wtyczka SPE firm HARTING i TE Connectivity dla aplikacji M1I1C1E1, M2I2C2E2 i M3I3C3E3 (pierwsza wersja opublikowana w styczniu 2020 i wydanie drugie opublikowane w marcu 2020)

• IEC 63171-7 - Wtyki hybrydowe SPE M12 firmy TE dla aplikacji M1I1C1E1, M2I2C2E2 i M3I3C3E3 z maksymalnie 5 dodatkowymi stykami zasilającymi (CD w obiegu)

SPE i znormalizowane dla niego złącza wpisują się w obecne standardy okablowania. Na arenie międzynarodowej dotyczy to przede wszystkim serii norm dla okablowania strukturalnego zgodnie z ISO/IEC 11801:2017 (wydanie 3) oraz, w podobny sposób, z europejską serią norm CENELEC zgodnie z EN50173. Tutaj SPE jest po raz pierwszy włączone do Części 3 Okablowanie przemysłowe jako załącznik. Centralnym dokumentem dla tych załączników jest ISO/IEC 11801 TR9906 RAPORT TECHNICZNY: Zbalansowane 1-parowe kanały kablowe do 600 MHz. Zawarcie SPE w dokumentach ISO/IEC 11801 jest ważne, ponieważ tylko ta norma opisuje kanały okablowania z wszystkimi niezbędnymi parametrami (długość, liczba połączeń, przepustowość i komplet parametrów transmisji, w tym NEXT, FEXT, charakterystyka ekranowania, itp.).

Dodatek 1 do ISO/IEC 11801-3 został opublikowany w kwietniu 2021 roku. Ten nowy załącznik zawiera kanały okablowania SPE:

• do zastosowań przemysłowych w tym kanał 10 Mbit/s 1000m oraz kanał 1 Gbit/s 40m w załączniku E ‘Wymagania dla kanałów okablowania 1-parowego do 600 MHz’

• oraz Specyfikacje dla łącza end-to-end (E2EL) do 500 MHz / Cat.6A w Załączniku D ‘Wymagania dotyczące konfiguracji linku end-to-end’

W stronę IoT/IIoT

Równolegle dostosowano i uzupełniono o SPE normę instalacyjną IEC 61918 (IEC SC65C), stanowiącą podstawę okablowania rozwiązań automatyki dla przemysłu. Nowa poprawka do normy IEC 61918 dotyczy nowych jednoparowych struktur okablowania dla jednoparowego Ethernetu (SPE) i związanego z nim zdalnego zasilania PoDL. Zamyka to lukę pomiędzy klasyczną infrastrukturą IT a przemysłem IoT/IIoT. SPE ma szczególne znaczenie dla przemysłu i samej automatyki: po raz pierwszy umożliwia uniwersalne zastosowanie protokołów opartych na TCP/IP nawet na duże odległości w celu automatyzacji procesów lub w celu prostego, bezpośredniego podłączenia czujników i elementów wykonawczych.

W jakim stopniu wpłynie to również na same profile automatyzacji, dopiero się okaże. Pewne jest to, że PROFINET (zgodnie z IEC 61784-5-3) i ODVA (zgodnie z IEC 61784-5-2) są aktywnie zaangażowane w dalszy rozwój i wdrażanie standardów SPE i pracują nad odpowiednimi dokumentami standardaryzującymi. Podobne podejście z pewnością zostanie zastosowane w przypadku Advance Physical Layer (APL), stosującej  10BASE-T1L dla przemysłu przetwórczego.

W połączeniu ze standardami komponentów dla złączy i kabli, wszyscy użytkownicy SPE otrzymują jasne wytyczne dotyczące budowy i testowania odpowiednich łączy transmisyjnych. Dla SPE 1 Gbit/s, okablowanie to jest początkowo ograniczone do zasięgu 40 metrów, jednak dla wariantu 10 MBit/s realizowane są instalacje o zasięgu 1.000 m i więcej.

Inne dokumenty dotyczące okablowania SPE dotyczące USA, w tym Kanady i Meksyku, takie jak ANSI / TIA-568.5, są przygotowywane w TIA TR 42.9. W dokumentach TIA 42.9 jest to realizowane poprzez rewizję ANSI/TIA-1005-B (okablowanie przemysłowe bez SPE). Pod względem treści wszystkie te dodatki są w dużej mierze zbieżne.

Podsumowanie

Standardy okablowania dostarczają użytkownikowi informacji na temat struktury okablowania i komponentów okablowania, które mają być użyte w celu osiągnięcia zamierzonej wydajności i wartości granicznych. Tym samym są najważniejszym instrumentem do budowy i uruchomienia okablowania SPE. Jednocześnie zapewniają kompatybilność między urządzeniami i okablowaniem poprzez odniesienia do standardów dotyczących komponentów (np. złącza zgodnie z IEC 63171-6). Ta kompatybilność jest podstawowym warunkiem funkcjonowania sieci i połączeń opartych na SPE, a tym samym podstawą dla rozpowszechnienia się tej technologii w IoT/IIoT. Stosowanie innych elementów okablowania w zasadzie również jest możliwe, ale wówczas nie jest już zgodne z normą i niesie ze sobą ryzyko niezgodności i strat funkcjonalnych.

Artykuł opracowano na podstawie informacji zawartych na stronie komitetu normalizacyjnego SPE https://www.single-pair-ethernet.com/en