Výzvy moderní automatizace – od izolovaných sběrnic k jednotnému standardu

Propojení těchto systémů mezi sebou nebo jejich integrace do podnikové IT infrastruktury vyžadovala dedikované brány (gatewaye), což extrémně komplikovalo kabeláž a zvyšovalo nároky na údržbu.

Limity současné pyramidy automatizace

Dnešní model automatizační pyramidy, postavený na fieldbus sběrnicích a analogovém přenosu signálu, čelí několika zásadním výzvám:

• Úzká hrdla: Přestože sběrnice umožňují přímou komunikaci mezi senzory, aktory a řídicími systémy, narážejí na omezenou šířku pásma a krátký dosah. To brzdí škálovatelnost a flexibilitu celého systému.
• Vysoká komplexita: Rozmanitost komunikačních protokolů vyžaduje specializované znalosti pro každý typ sběrnice. To zvyšuje provozní náklady a komplikuje jakoukoli expanzi výroby.

Kybernetická bezpečnost jako priorita

Zásadním problémem moderní automatizace je bezpečnost. Mnoho sběrnicových systémů a analogových metod bylo navrženo v době, kdy kybernetické hrozby nebyly tématem. Dnes tyto zastaralé protokoly slouží jako potenciální vstupní brány pro útoky, které mohou vést k přerušení provozu nebo ohrožení kritické infrastruktury.

Budoucnost jménem Single Pair Ethernet (SPE)

Řešením je adopce standardizovaných bezpečnostních protokolů a robustního šifrování. Klíčovým prvkem této transformace je integrace Ethernetu až na úroveň senzorů, zejména prostřednictvím technologie SPE (Single Pair Ethernet). Ta umožňuje:

1. Bezešvou komunikaci napříč celou automatizační pyramidou (od senzoru až po cloud).
2. Implementaci nejmodernějších zabezpečovacích mechanismů přímo do koncových zařízení.
3. Zjednodušení infrastruktury díky využití jediného páru vodičů pro data i napájení.

Single Pair Ethernet je technologie Ethernetu zakotvená ve standardu IEEE 802.3cg (2019), která používá pouze jeden pár vodičů pro obousměrný přenos dat. Tradiční Ethernet, který známe z kanceláří a domovů, vyžaduje dva nebo čtyři páry vodičů. Tato jednoduchost je klíčovým rozdílem a umožňuje zavedení Ethernetu i do aplikací, kde by bylo tradiční kabelové řešení příliš objemné, drahé nebo složité.

Jedním ze standardů SPE je 10BASE-T1L:

• 10: Označuje přenosovou rychlost 10 Mbit/s. Pamatujete ještě na 10Base-T (1990)? Rychlost je stejná jako tehdy.
• T1: Znamená, že se jedná o jeden pár vodičů. Písmeno 'T' odkazuje na kroucený pár (twisted pair).
• L: Označuje dlouhý dosah (long reach), což v tomto případě znamená až 1000 metrů.

Existují i jiné standardy, například 100BASE-T1 a 1000BASE-T1, které nabízejí vyšší přenosové rychlosti, ale na kratší vzdálenosti.

• 100 Mbit/s: Type A 15 metrů/ Type B 40 metrů (standard 100BASE-T1).
• 1 Gbit/s: Type A 15 metrů/ Type B 40 metrů (standard 1000BASE-T1).

V praxi je největší pozornost věnována standardu 10BASE-T1L, který kombinuje dostatečnou rychlost s velmi dlouhým dosahem.

Jaké jsou výhody Single Pair Ethernetu?

• Redukce nákladů: Nižší náklady na kabeláž a instalaci díky použití méně vodičů.
• Dlouhý dosah: Přenos dat až na vzdálenost 1000 metrů.
• Méně místa: Tenčí a lehčí kabely, což šetří místo v kabelových trasách.
• Napájení po kabelu (PoDL) dle IEEE 802.3bu: Možnost přenosu dat a napájení přes jeden kabel, což zjednodušuje instalaci.
• Jednoduchá integrace: Umožňuje přímou integraci Ethernetu do chytrých senzorů a jiných koncových zařízení.

Pro jaké aplikace je SPE vhodný?

SPE je navržen pro aplikace, kde je důležitá vzdálenost, robustnost a jednoduchost kabeláže. Hlavními oblastmi jsou:

• Průmyslová automatizace: Propojení senzorů, akčních členů a řídicích jednotek v továrnách.
• Automatizace budov: Řízení osvětlení, vytápění, větrání a klimatizace (HVAC).
• Automobilový průmysl: Integrace v palubních systémech, senzorech a zábavních systémech.
• Logistika: Monitorování skladů a transportních systémů.
• Prostředí s nebezpečím výbuchu: Specifickou variantou SPE je Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) a 2-WISE (napájení v prostředí s nebezpečím výbuchu – Ex).

Jaké jsou požadavky na instalaci SPE?

Instalace SPE kabeláže je mnohem jednodušší než u tradičního Ethernetu. Díky jedinému páru vodičů je kabel tenčí a flexibilnější. Používají se nové typy konektorů, jako jsou zástrčky a zásuvky standardu IEC 63171, které jsou kompaktnější a robustnější. Při instalaci je také nutné dbát na správnou polaritu, což je specifické pro jednopárové systémy.

Jaké produkty jsou potřeba?

Pro vybudování aplikace s SPE je potřeba několik klíčových komponent:

• Kabeláž: Speciální jednopárové kabely.
• Konektory: Kompaktní, robustní konektory (např. podle normy IEC 63171).
• Switche: Speciální průmyslové switche, které podporují SPE porty. Příklad: Oring ITPS-141TX-T1L
• Koncová zařízení: Zařízení, jako jsou senzory, kamery nebo PLC, s integrovaným SPE rozhraním.
• Testery: Ověření vlastností kabeláže se provádí měřicím přístrojem, který je schopen otestovat požadované parametry norem. Příklad: Telebyte kvalifikační tester na SPE, certifikační tester na strukturované kabeláže s možností testování SPE kabeláže (WireXpert MP C6A)

Jaké jsou cíle aliance Single Pair Ethernet System Alliance?

Single Pair Ethernet System Alliance je sdružení, které se snaží podporovat a propagovat technologii SPE. Mezi její hlavní cíle patří:

• Standardizace: Vytváření a podpora globálních standardů pro SPE.
• Propagace: Informování průmyslu o výhodách a možnostech technologie.
• Kompatibilita: Zajištění interoperability mezi produkty různých výrobců.
• Podpora výzkumu a vývoje: Podpora nových řešení a aplikací.

Jaká je budoucnost Single Pair Ethernetu?

Budoucnost SPE vypadá velmi slibně, protože se jedná o klíčovou technologii pro průmyslový IoT (IIoT) a Průmysl 4.0. Očekává se, že bude stále častěji nahrazovat tradiční sběrnice a proprietární systémy v továrnách a budovách. S dalším vývojem se také počítá s vyššími přenosovými rychlostmi a robustnějšími řešeními pro náročná prostředí, což dále rozšíří její uplatnění.

Alternetivo s. r. o.
Žirovnická 2389, 106 00 Praha 10
Tel.: +420 221 771 807
E‑mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.alternetivo.cz