Datacommunicatie tot in de veldinstrumentatie

Ethernet uitbreiden tot in veldapparatuur met Single Pair Ethernet

Single Pair Ethernet belooft een continue Ethernet-verbinding van de sensor naar de cloud. De automatiseringsindustrie is enthousiast, maar eist normen.

Single Pair Ethernet (SPE) is het modewoord als het gaat om de netwerkinfrastructuur voor het Industrial Internet of Things (IIoT). De industrie is op zoek naar een consistente communicatiearchitectuur in alle lagen van de automatisering. Het concept hierachter is Ethernet uit te breiden tot in de veldapparatuur.

Industriële Ethernet-netwerken worden gebruikt in industriële toepassingen en bieden vele voordelen dankzij de real-time-overdracht. De technologie is echter te complex voor eenvoudige sensortoepassingen. “Op het niveau van de sensor-actuator werken we nog steeds met een bus-architectuur. We willen nu een IP-gebaseerde communicatie-infrastructuur creëren met een uniform communicatieprotocol van de sensor naar de cloud,” verklaart Simon Seereiner, hoofd van Product Management SAI & IE bij Weidmüller.

Het doen zonder te hoge datatransmissiesnelheden

Dit moet mogelijk zijn met Single Pair Ethernet. SPE rekent af met te hoge datatransmissiesnelheden en kan met een compacter ontwerp grotere afstanden overbruggen. In tegenstelling tot eerdere Ethernet-bekabeling vereist deze verbindingstechnologie slechts één paar draden in plaats van twee of vier paar.

Deze ontwikkeling komt vanuit de automobielindustrie. Ruimte- en gewichtsbesparing zijn daar erg belangrijk. Er is behoefte aan een infrastructuur met zo weinig mogelijk kabels, maar die moet wel hoge prestaties leveren de steeds autonomer wordende rijeigenschappen. Om deze redenen zijn autofabrikanten al in 2012 begonnen met de ontwikkeling van een protocol voor single pair Ethernet met het normalisatie-instituut IEEE.

In de industrie doet zich nu hetzelfde probleem voor als gevolg van de digitalisering: Aangezien steeds meer sensortechnologie in machines en systemen wordt geïntegreerd, moet de bekabeling dienovereenkomstig worden ontworpen voor industrieel gebruik en compact zijn. Single Pair Ethernet wordt beschouwd als de sleuteltechnologie die IoT-toepassingen in de industrie mogelijk maakt: transmissiesnelheden van 10 Mbits/s met een transmissielengte van 1000 m tot 1 Gbit/s met een lengte van maximaal 40 m zijn zelfs voldoende voor geavanceerde sensortechnologie. Zelfs scanners en camera’s voor het bewaken of detecteren van het type en de positie van een onderdeel kunnen zo overal in het netwerk met Ethernet worden geïntegreerd.

Data- en stroomvoorziening in één

Dankzij Power over Data Line (PoDL) kan Single Pair Ethernet ook de stroomvoorziening van de aangesloten component verzekeren. Tot 60 W kan worden toegevoerd aan een interface met gelijktijdige datatransmissie van 100 Mbps. “Dit maakt het mogelijk om een sensor zowel van stroom als van gegevens te voorzien met slechts één tweedraadskabel. En dat alles via een klein, compact ontwerp,” legt Seereiner uit. Er is geen extra kabel nodig voor de stroomvoorziening, wat voordelen biedt in krappe ruimtes.

Energietransmissie met gelijktijdige datatransmissie is in de normen verankerd. Daartoe heeft de IEEE een indeling in verschillende vermogensklassen vastgesteld. Aangezien de klassen 1-9 reeds zijn toegewezen door Power over Ethernet (PoE), beginnen de vermogensklassen voor PoDL bij 10.

Connectoren van de IEC 63171-normenserie

Weidmüller heeft al meerdere connectoren voor single-pair ethernettechnologie in haar portfolio. Eén variant in beschermingsklasse IP20 en één variant in beschermingsklasse IP67. Beide varianten behoren tot de IEC 63171-reeks van normen, waarin connectoren voor Single Pair Ethernet zijn gedefinieerd.

Dankzij het robuuste vergrendelingsmechanisme – vergelijkbaar met dat van de RJ45-connector, een uittrekkracht van ten minste 50 N en een industriële dilectrische sterkte van 2,25 kV DC, hebben de nieuwe SPE-connectoren ideale eigenschappen voor industrieel gebruik. De hoge pakkingsdichtheid zorgt ervoor dat er tot 50% minder ruimte nodig is in de IP20-omgeving in vergelijking met de RJ45-connector. Bovendien kunnen de SPE-connectoren ook gemakkelijk en snel in het veld worden gemonteerd en zijn ze geschikt voor bekabeling in het bereik van AWG 26 tot AWG 22.

Met deze nieuwe ontwikkelingen neemt Weidmüller een pioniersrol op zich, aangezien de technologie nog lang niet is aangekomen in de industrie. Deze pioniersgeest zit in het DNA van het bedrijf. Met haar uitvindingen, heeft Weidmüller de industrie altijd geholpen met goede verbindingstechnologie. Daarom heeft de onderneming zich ook al in een vroeg stadium beziggehouden met de thema’s Industrie 4.0 en digitalisering. De basis van de digitale transformatie is het IIoT, dat de constante uitwisseling van gegevens tussen alle componenten, onderdelen en apparaten mogelijk maakt. Voor Weidmüller is het daarom al lang duidelijk waar de reis naar toe gaat en hoe het bedrijf kan helpen de digitale transformatie vorm te geven met industriële verbindingstechnologie.

Bundeling van ervaring en knowhow

Om Single Pair Ethernet voor de industrie verder te bevorderen, hebben vele deskundigen op het gebied van connector- en verbindingstechnologie, automatiseringstechnologie en de kabelindustrie hun krachten gebundeld om internationaal toepasbare normen voor de technologie te ontwikkelen.

Weidmüller is ook betrokken geweest bij een dergelijk technologiepartnerschap vanaf het allereerste begin. “Wij willen het thema Single Pair Ethernet een zo breed mogelijke basis geven en daarom werken fabrikanten van sensoren, kabels, connectoren, meetapparatuur en chips alsmede eindapparatuur samen in ons netwerk om hun expertise daar te bundelen”, aldus Seereiner, die het partnerschap beschrijft.

Hierdoor is een platform ontstaan waarop alle betrokken ondernemingen informatie kunnen uitwisselen. “Je profiteert van elkaars ervaring, bijvoorbeeld als het gaat om het implementeren van nieuwe producten,” zegt Seereiner. Doel van het technologiepartnerschap is te zorgen voor een gecoördineerde infrastructuur voor apparatuur, connectoren, kabels en meettechnologie.

Internationale normalisatie als basis

De basis voor een dergelijke uniforme en universele infrastructuur is internationale normalisatie. Bij zo’n belangrijke technologie is een grote verscheidenheid van verenigingen betrokken, waaronder de IEEE. Voor het IEEE 802.3cg project werden voor het eerst connectoren en hun elektrische eigenschappen gedefinieerd in de IEEE omgeving. Alle connectoren die aan de elektrische eigenschappen van de norm voldoen, kunnen worden gebruikt.

De connectoren voor single pair Ethernet zijn gedefinieerd in de IEC 63171-X normenreeks. Het ontwerp van de contactvlakken en de mechanische eisen voor de connectoren worden beschreven in de ondergeschikte normenreeksen. Weidmüller’s SPE connectoren, bijvoorbeeld, behoren tot de IEC 63171-2 variant voor de IP20 omgeving en de IEC 63171-5 variant voor de IP67 omgeving.

SPE-connectoren met vier kamers

Het bedrijf zal zijn twee connectoroplossingen voor single pair Ethernet presenteren op de Hannover Messe. “Beide pasvlakken – voor IP20 en IP67 – zijn onderling compatibel. Dit is bijzonder voordelig in de veldmeettechniek. Daar kunnen gebruikers apparaten met IP67-interfaces gewoon aansluiten met een IP20-meetconnector en omgekeerd,” onthult Seereiner alvast. En verder: “Naast de enkelvoudige aansluitingen is een variant met 4 kamers gepland.” Hierdoor kunnen vier SPE-bekabelingssystemen via één interface in een compact formaat worden geïmplementeerd: De behuizing is kleiner dan die van een conventionele RJ45-behuizing. Weidmüller werkt daarom in volle vaart aan verdere oplossingen die een infrastructuur voor SPE-technologie mogelijk zullen maken.

Lees ook:

• Single Pair Ethernet moet IIoT een boost geven
• IEC 61499 – Open Innovaties drijven de industriële toekomst
• Modulaire kabeldoorsysteem voor kabels met connectoren