כיצד להשתמש ב-Ethernet זוג יחיד כדי לחסוך מקום ומשקל תוך שיפור ביצועי IoT תעשייתיים

Ethernet הוא תקן הרשת החוטי הנפוץ ביותר עבור רשתות "אינטרנט של דברים" תעשייתיות ‏(IIoT), המספק ביצועים יציבים ואמינות מוכחת. בנוסף, אספקת-כוח-על-Ethernet ‏(PoE) מפחיתה חיווט על ידי אספקת-כוח לחיישנים ולנקודות קצה IIoT דרך אותו כבל Ethernet. תקן Ethernet הפך גם לסטנדרט במכוניות נוסעים, במקרים רבים מחליף את הפרוטוקול הטורי Controller Area Network‏ (CAN). זה מספק יתרונות בולטים עבור נהיגה אוטונומית ומערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS) הודות לאמינות ולקצב הנתונים הגבוה של ה-Ethernet.

אולם, ברשתות IIoT גדולות, צרורות כבלי Ethernet יכולים להיות גדולים כל כך, כבדים ומסורבלים כך שיהוו מכשול המכביד על הציוד ונדרש חיזוק נוסף. זה בעייתי במיוחד עבור יישומי רכב בהם המשקל והמקום הנוסף מקטינים קיבולת וקילומטרז'. ביישומי תובלה תעשייתית כמו משאיות, רכבות משא ונוסעים ומטוסים, הגודל והמשקל הנוסף של הכבלים יכולים להיות גדולים כל כך שיהיה צורך לפצות עליהם בתכנון המערכת, דבר המגדיל עלויות ומאט זמני התקנה.

כדי לענות על צרכים אלה, יצרנים הכניסו לשימוש מחברי וכבלי Ethernet זוג יחיד (SPE) התומכים גם באספקת-כוח על קווי נתונים (PoDL). ה-SPE מספק העברת נתונים במהירות גבוהה כמו גם אספקת-כוח דרך זוג שזור אחד של מוליכים. מאמר זה יסביר את היתרונות של SPE עבור יישומים תעשייתיים ותובלה. אחר כך ידון בשני מחברי SPE מבית Phoenix Contact כמו גם בשני כבלים המתאימים עבור יישומי SPE.

SPE לעומת Ethernet קונבנציונלי

Ethernet הוא תקן הרשת החוטי הנפוץ ביותר עבור רשתות Local Area Network‏ (LAN) מסחריות ותעשייתיות. הגרסאות הנפוצות ביותר לשימוש הן 10/100Base-T Ethernet המשתמשת בשני זוגות שזורים של מוליכים כדי להעביר נתונים, ו-Gigabit Ethernet המשתמשת בארבעה זוגות שזורים. מאחר ומערכות אוטומציה דורשות מהירויות גבוהות יותר, Gigabit Ethernet עם PoE הפכה לנפוצה יותר עבור חיבור מחשבים לחיישנים. בדרך כלל, חוט נחושת ‎24 AWG משמש עבור הזוגות השזורים. שמונה חוטים אלה כלולים בדרך כלל בתוך כבל CAT5e בדרוג תעשייתי ומכוסים בסרט ספוג והארקת רדיד. במתקן תעשייתי גדול, ניתן לראות מאות כבלים כאלה מנותבים בכל הבנין. צרורות כבלים אלה יכולים להעשות כבדים, ובמקום לנתבם לרוחב הרצפה, היכן שמישהו יכול להיתקל בהם ולמעוד, הם נארזים ברתמות המוצמדות לקירות ולציוד. צרורות כבלים אלה יכולים לשקול 25 ק"ג או יותר, ואם תוספת המשקל של כבלים נוספים אינה נלקחת בחשבון, הם יכולים לגרום למאמץ או לשבור את מערכת התמיכה של הכבלים או אפילו למוטט ציוד.

נוסף לכך, כבלי Ethernet קונבנציונליים מוגבלים באורכם ל-100 מטר (m). עבור מתקנים תעשייתיים גדולים יותר ועבור מערכות אוטומציה בבניינים יש להשתמש לפעמים במשחזרים (Repeaters) כדי להאריך את הטווח של כבלי Ethernet ולהגיע אל חיישנים מרוחקים. זה מגדיל את מורכבות המערכת ומוסיף נקודת תחזוקה נוספת. בשל הזמן הנוסף וההוצאות הנוספות הכרוכים בניתוב כבלים עבים וכבדים אלה, ברור שדרושה שיטה חלופית להעברת כבלים.

SPE מספק נתונים דו-כיווניים ומעביר אספקת-כוח תוך שימוש בכבל זוג שזור אחד. הוא תומך באורכי כבל עד 1000 מ', מאריך את הטווח אל חיישנים מרושתים מבלי להשתמש במשחזרים (Repeaters). זה מקטין משקל משמעותית ומקל על התקנה על ידי פישוט מתווה, מספק נצילות הספק מקסימלית, חתימת-שטח קטנה יותר ועלויות הקמה ותחזוקה נמוכות יותר בהשוואה ל-Ethernet קונבנציונלי. בעוד מערכות תעשייתיות יכולות להשתמש במעטפות מסוככות כדי למנוע מצרורות כבלים להפריע אחד לשני, כבלים קלי משקל לא-מסוככים נתמכים גם כן. לזה יש יתרון ביישומי רכב, מאפשר לנתב בקלות יותר כבלים קלי משקל באזורים מוגבלים במקום כגון מתחת למושבים ומאחורי לוחות דיפון. עם היתרונות המשולבים של כבל קטן וקל יותר, יחד עם העברת נתוני מהירות-גבוהה בצד אספקת-כוח בזוג חוטים יחיד ומשתלם, SPE מצופה להפוך לתקן התקשורת התעשייתית הנפוץ, אם לא הדומיננטי.

יסודות SPE

מפרט ה-IEEE הפורמלי עבור 10 מגביט לשנייה (Mb/s)‏ SPE הוא 802.3cg. הוא תומך בתקשורת נתונים דופלקס מלא של עד 1,000 מ'.

ה-IEEE 802.3bw תומך בתקשורת נתונים דופלקס מלא של עד 100‎ Mbits/s עבור כבלים של עד 50 מ'. הוא מיועד עבור חיישנים מהירות-גבוהה ביישומים תעשייתיים ומספר יישומי רכב.

ה-IEEE 802.3bp תומך בתקשורת נתונים דופלקס מלא של עד 1000‎ Mbits/s עבור אורך כבל של עד 15 מ'. באורך כבל זה, הוא ישים עבור מספר יישומי חיישן תעשייתיים, אך מתאים במיוחד עבור וידאו רזולוציה-גבוהה כמו גם יישומי מטוס קטן ורכב מסחרי, בהם יש להעביר נתוני חיישן מהירות-גבוהה למרחק קטן יחסית.

כעת, ה-IEEE 802.3ch תומך בתקשורת עד 10 גיגביט לשנייה (Gbps) עם אורך כבל של עד 15 מ'. הוא דומה ל-802.3bp אבל כולל את הרמה הפיזית (PHY). זה ממוקד בעיקר ביישומי רכב מסחרי ותובלה תעשייתית, בהם קצבי נתונים גבוהים, קוטר כבל קטן יותר ובמיוחד משקל נמוך יותר הם שיקולי תכנון מערכת חשובים מאוד.

SPE עם PoDL מספק הזנה לחיישן ה-Ethernet או לנקודת הקצה דרך אותו זוג חוטים שזור, עם אספקת כמות ההספק הנקבעת על ידי אורכו ועוביו של הכבל. באורך מקסימלי של 1000 מ' ותוך שימוש בחוט ‎14 AWG, מפרט ה-IEEE מאפשר 60 וולט ו-13.53 וואט הספק בנקודת הקצה.

חומרת SPE תעשייתית

חיבורי SPE תעשייתיים אינם משתמשים במחברי RJ45 אלא, במקומם, משתמשים בתקן המחבר החדש IEC 63171 T1. חברת Phoenix Contact מספקת משפחה של מחברי וכבלי SPE המיועדים עבור יישומים תעשייתיים.

עבור יישומי SPE תעשייתיים הדורשים איתנות IP67,‏ Phoenix Contact מציעה חיבור M8 אמיתי תוך שימוש במכלל הפנימי 1163793‎ SPE M8-2 עם המעטפת ‎1412502 M8 (איור 1). השילוב של המעטפת והמכלל הפנימי מספק הגנת IP67, שהיא מתאימה עבור תנאי סביבה תעשייתיים קשים. ההרכבה קלת המשקל מתאימה גם עבור תעופה ומערכות תובלה.

איור 1: המכלל הפנימי Phoenix Contact 1163793 M8-2 (שמאל) והמעטפת ‎1412502 M8 (ימין) מספקים פתרון SPE M8 אמיתי עם הגנת IP67 כאשר מורכבים. (מקור תמונה: Phoenix Contact)

הרכבת המחבר יכולה לספק PoDL עד 72 וולט ב-4 אמפר (A) ומדורגת עבור טמפרטורות בתחום מ-40°C- עד ‎85°C+, תכונות העושות אותה מתאימה עבור הזנת נקודות קצה IIoT וצמתי חיישן בסביבות חוץ. פורמט מחבר ה-M8 הנפוץ מקל על יצרני מערכות לצייד ציוד וחיישנים קיימים עם מחברי M8 ל-SPE. הרכבת מחבר ה-SPE משתמשת בתבנית מחבר SPE M8-2 סטנדרטית עם קידוד-D כדי להבטיח שכבלי SPE בלבד נתחבים בהרכבת המחבר.

חומרת SPE פנים ארגונית

SPE מתאים גם במערכות ברמת הארגון, כולל בסביבות משרדיות, בהן קל יותר לבנות ולנתב כבלים קלי משקל יותר ובעלי קוטר קטן יותר. יישומים תעשייתיים IP67 יכולים ליצור בקלות אינטראקציה עם מערכות פנים ארגוניות אלו תוך שימוש באותה רשת SPE. עבור יישומים ברמת הארגון הדורשים בדרך כלל הגנת IP20, פתרון מתאים הוא בית השקע המודולרי Phoenix Contact 1163797 SPE, בית שקע IEC 63171 מולחם חור-עובר עם מהדק נעילה כדי להבטיח חיבור כבל יציב (איור 2).

איור 2: בית השקע SPE המודולרי Phoenix Contact 1163797 תואם לכל תקני זרם ה-SPE. הוא מדורג לספק עד 72 וולט ב-4‎ A. (מקור תמונה: Phoenix Contact)

המכלל הפנימי M8-2 מקודד כדי למנוע חיבור שגוי. בית השקע הוא בעל שני פיני תקע עשויים מסגסוגת נחושת ומצופים זהב השומרים על התנגדות מגע מינימלי, דבר המאפשר לו לספק PoDL של עד 70 וולט ב-‎4 A. מעטה ה-M8 עשוי מפליז עם ציפוי ניקל כדי לספק חסינות מפני קורוזיה.

ה-1163797 תומך בכול מפרטי הזרם של מחבר SPE של 802.3cg/bu/bw/bp. הוא בנוי לעמוד בתנאי סביבה קשים, עם מפרט מחזורי תחיבה ושליפה גדול מ-750, מדורג IP20, בעל תחום טמפרטורות עבודה של ‎-40°C עד ‎+85°C‎ ומידותיו 5 x 8.35 x ‏14.2 מ"מ. תכונות אלו עושות אותו מתאים עבור הרכבת הלחמה על מחשבי לוח יחיד (SBCs) כמו גם בקרים לוגיים ניתנים-לתכנות (PLCs), היכן שכבלים מוחלפים לפעמים. תרחישי דוגמה בהם מוכח שזה שימושי כוללים מתקני ייצור העשויים להידרש לעבור שינוי תצורה עבור הרכבת מוצרים שונים.

כבלי SPE עבור IIoT

עבור חיבורי SPE קצרים, Phoenix Contact מספק את כבל ה-2 מ' SPE 1183808. כבל זה תומך ב-PoDL של עד 72 וולט ב-4‎ A והוא בעל שני שקעי SPE בכל סיומת כבל (איור 3). בעוד ל-Ethernet הקונבנציונלי יש בתי שקע בקצות הכבל ושקעים בנקודות הקצה, חומרת SPE היא הפוכה.

מעטה הכבל עשוי מפוליאוריתן שהוא חסין לאור אולטרה-סגול, שפשוף ומרבית הממסים. כבלי פוליאוריתן חסינים גם מפני התכווצות והיסדקות הנגרמות על ידי חשיפה לאור שמש ומים, כמו גם מפני פגיעה הנפוצה בתנאי סביבה תעשייתיים. הכבל מוגן מפני הפרעות אלקרומגנטיות (EMI) על ידי סיכוך נחושת-קלועה מצופה בדיל העטוף ברדיד אלומיניום מצופה פלסטיק. זה עושה אותו מתאים עבור תנאי סביבה רועשים חשמלית, במיוחד כאשר ארוז עם כבלים מהירות-גבוהה אחרים.

איור 3: כבל ה-Phoenix Contact 1183808 SPE הוא באורך 2 מ' ובעל עטיפת הגנה מפוליאוריתן. הוא מסוכך מפני EMI ותומך בקצבי נתונים של עד ‎1000 Mbits/s. (מקור תמונה: Phoenix Contact)

מגעי השקע של הכבל עשויים מסגסוגת נחושת ותומכים בהעברת נתונים תואמת 802.3cg של ‎10 Mbit/s, כמו גם מהירויות של ‎100 Mbit/s 802.3bw. קצב ההעברה הגבוה ביותר הוא 802.3bp 1000 Mbits/s, דבר העושה את הכבל מתאים לא רק עבור חיישנים אלא גם עבור ציוד מעקב וידאו רזולוציה גבוהה (HD).

בעוד מעטפת הכבל חסינה למים ואבק, כמו גם עמידה ללהבה בהתאם ל-UL94V0, הרכבת הכבל מדורגת IP20 בגלל מחברי סיומת הכבל. לכל מחבר יש מהדק נעילה כדי לחבר את המחבר בבטחה לנקודת קצה בית השקע. מנגנון נעילה זה הוא חלק מתקן מחבר ה-SPE כדי למנוע הסרה אקראית בתנאי סביבה עמוסים. הכבל מדורג לעבוד ב-40‎°C- עד 85‎°C+ ועד 750 מחזורי תחיבה והסרה. הוא מתאים עבור שימוש פנים עם לוחות חיבור, כמו גם חיבורים בין חיישני IIoT ותיבות סעף SPE.

עבור יישומים הדורשים כבל ארוך יותר, Phoenix Contact מציעה את כבל ה-SPE ‏5 מ' 1183811, שלו אותו מפרט כמו ל-1183808.

מסקנה

המעבר ל-SPE ביישומים כגון IIoT, רכב והפנים ארגוני (Enterprise), מסייע למתכננים לעמוד בצורך בפתרונות חיבוריות מהירות-גבוהה שהם קלי משקל יותר, קטנים יותר וקלים יותר לשימוש, בעוד גם מקטינים עלויות. עם זאת, מתכננים חייבים להיות זהירים בבחירת המחברים והכבלים בהם הם משתמשים כאשר פורסים רשתות מבוססות-SPE כדי להבטיח חיבוריות בסביבות קשות פיזית ורועשות חשמלית.

כפי שתואר, זמינים מחברים שונים המאפשרים למערכות פנים ארגוניות מדורגות IP20 להתחבר בקלות למערכות בקרה תעשייתיות IP67 עם מחברי M8 SPE אמיתיים, לספק חיבוריות חלקה ואספקת-כוח בשתי הסביבות. עם תוספת היכולת של PoDL, חיבוריות SPE מקלה על אספקת-כוח ונתונים גם יחד לנקודות קצה IIoT בסביבות פנים ארגוניות (Enterprise) ותעשייתיות מבלי להריץ חיווט נוסף, ובכך מפשטת ומיעלת במידה רבה פריסות.