Ali je SPE (Single Pair Ethernet) prihodnost Industrijskega Etherneta v industriji 4.0?

Področje omrežnega povezovanja v industriji zaznamujejo novi tehnološki napredki, pri katerih aktivno sodeluje tudi proizvajalec Weidmüller.

Omrežna infrastruktura industrije 4.0

V sodobni tovarni so naprave in stroji povezani v industrijsko omrežje, ki poskrbi za nemoteno komunikacijo in izmenjavo informacij med napravami. Omogoča nam, da lahko preko centralnega sistema v vsakem trenutku ugotovimo, v kakšnem stanju so naprave in stroji v proizvodnji, spremljamo operacije, ki jih izvajajo, predvidevamo napake ipd. Vsesplošna digitalizacija tovarn pogojuje nastanek t.i. pametnih tovarn, ki prinašajo številne prednosti in predstavljajo temelj konkurenčnosti in inovativnosti sodobnih proizvodnih podjetij.

Za uspešno integracijo pametnih tovarn potrebujemo zanesljive omrežne povezave, ki zagotavljajo učinkovito medsebojno komunikacijo strojev in naprav. Trenutno najbolj razširjen omrežni standard je Industrijski Ethernet, ki zaradi vsesplošne uporabnosti in standardizacije predstavlja prevladujočo infrastrukturno osnovo industrije.

Za številne industrijske aplikacije pa je tehnologija Industrijskega Etherneta pogosto predimenzionirana in prekompleksna za prenos podatkov, ki jih veliko procesov, sploh s področja senzorske tehnologije, ne potrebuje in posledično v celoti tudi ne izkoristi. Sprejetje IoT tehnologij v industrijskih aplikacijah vključuje vozlišča senzorjev, ki pogosto ne potrebujejo veliko energije ali pasovne širine, vendar zahtevajo zanesljivo in učinkovito komunikacijo.

Omenjeno je spodbudilo nadaljnji razvoj in pojav nove generacija Industrijskega Etherneta, ki ga poznamo pod angleškim izrazom Single Pair Ethernet (v nadaljevanju SPE).

Kaj je SPE (Single Pair Ethernet) in kakšne prednosti prinaša

SPE je nova generacija Etherneta, katere kabelska konfiguracija namesto dveh ali štirih parov žic (paric), sestoji iz ene same parice. Glavna spodbuda za razvoj SPE prihaja iz avtomobilske industrije, kjer ožičenje predstavlja vedno večji delež celotne teže avtomobila, kar zahteva infrastrukturo, ki je sposobna zagotoviti čim večjo zmogljivost s čim manj kabli. Ne samo v avtomobilski, ampak tudi v vseh ostalih industrijskih sektorjih obstajajo podobna pričakovanja, saj se količina naprav v industrijskem omrežju povečuje, količina razpoložljivega prostora pa ostaja enaka. V stroje in sisteme je potrebno vključevati vedno več senzorjev, zato morajo biti kabli zasnovani za industrijsko uporabo tudi kompaktni in preprosti.

Vgradnja senzorjev v ekstremno majhne dele komponent (npr. robotske roke), kjer imata teža in mehanska prožnost pomembno vlogo, je tako mogoča le z uporabo lažjih kablov z manjšimi premeri. Ker SPE vsebuje le eno parico (dve prepleteni žici), so torej kabli in konektorji lažji, manjši ter enostavnejši za namestitev. Omogočajo hitrosti prenosa podatkov do 1 Gbit/s, kar je več kot dovolj za večino industrijskih aplikacij. Zaradi uporabe cenejših kablov in na splošno manjših potreb po materialih, SPE prinaša tudi velike stroškovne prednosti.

Tudi naknadna razširitev obstoječega sistema je enostavnejša kot pri osemžičnih kablih, saj lahko s tanjšimi in lažjimi kabli v obstoječ prostor namestimo več kabelskih povezav kot pri klasičnem Industrijskem Ethernetu.

Naslednja pomembna lastnost SPE je funkcija napajanja priključenih naprav preko prepletene parice PoDL (angl. Power over Data Line), kar omogoča senzorjem oskrbo z električno energijo do 60 W in s podatkovnim vmesnikom preko ene linije. Omenjeno pride prav predvsem za manjše distribuirane naprave nameščene v izredno utesnjenih prostorih proizvodnih linij, katere nimajo dostopa do vira električnega napajanja.

SPE torej izpolnjuje temeljne zahteve aplikacij IoT in predstavlja resnega kandidata za nov omrežni standard industrije 4.0.

Slika: Primerjava velikosti SPE konektorja in RJ45 konektorja

Prizadevanja za uveljavitev SPE tehnologije

Pri uvajanju nove tehnologije mrežne opreme je standardizacija glavni ključ do uspeha. Mednarodni standardi določajo enotne značilnosti vseh komponent in omogočajo splošno sprejetje in množično uporabo komponent mrežne tehnologije od različnih proizvajalcev.

Če želi nova SPE tehnologija konkurirati trenutno najbolj priljubljenemu protokolu Ethernet, je torej poenotena infrastruktura vseh komponent industrijske mreže (kabli, konektorji, senzorji, naprave idr.) nujna. V zasledovanju tega cilja se je skupina tehnološko naprednih podjetij povezala v SPE System Alliance, organizacijo, katere cilj je razvoj poenotenega SPE sistema, ki bo prilagojen parametrom na ravni protokola. Skupina združuje proizvajalce kablov, senzorjev, merilnih naprav, čipov, stikal in ostalih komponent, ki z izkušnjami iz različnih področij ustvarjajo know-how za zanesljivo in hitro implementacijo SPE tehnologije.

Aktiven član organizacije SPE System Alliance je tudi proizvajalec Weidmüller, ki s svojo inovativno naravnanostjo podpira in aktivno sodeluje pri razvoju tehnoloških napredkov ter tako ostaja eno izmed vodilnih tehnoloških podjetij na trgu. Usmerjeni so v razvoj portfelja osnovnih SPE komponent s številnimi sestavnimi deli, primernimi za vsestransko uporabo. Trenutno so razviti osnovni IP20 in IP67 SPE konektorji in kabli, v prihodnosti pa bodo portfolio razširili še z drugimi  variantami kablov različnih dolžin in vrst.