AEI 521 - Single Pair Ethernet se está convirtiendo en el ADN del Internet Industrial de las Cosas

Single Pair Ethernet - o SPE, para abreviar - es actualmente una de las megatendencias en la transmisión de datos industriales. Si desea comprender las aplicaciones y ventajas de reducir el cableado de datos a un único par de hilos, debe conocer la historia de Ethernet y de la automatización industrial.

Como protocolo de software no estandarizado, Ethernet se desarrolló en los años 70 para la transmisión interna y localmente limitada de paquetes de datos en redes de ordenadores por cable (LAN - Local Area Network). El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) definió el protocolo de software y la capa física (incluyendo interfaces físicos como conectores y cables) en las dos décadas siguientes y sentó las bases para el Internet moderno con la introducción de varios protocolos como el 802.4 (Token Bus), el 802.5 (Token Ring) y finalmente el 802.11 (WLAN).

Lenguaje común

Paralelamente, la tecnología de bus de campo se desarrolló en los años 80, impulsada por el uso creciente de la tecnología de automatización. La idea básica era la misma: los diferentes participantes en la comunicación deben comunicarse entre sí de manera ordenada y en un sistema común. Sin embargo, los distintos protocolos de buses de campo, como Interbus, DeviceNet y Profibus, no se utilizaron para conectar en red ordenadores a nivel de empresa, sino para la conexión en serie o en paralelo de sensores y actuadores al nivel de gestión y de control.

Finalmente, el desarrollo paralelo de los dos protocolos de transmisión estableció la estructura de la pirámide de automatización que sigue siendo válida hoy en día. Los niveles más altos representan redes informáticas limitadas localmente que se utilizan para la planificación de la producción detallada y global. Los niveles inferiores comprenden la transmisión de señales, datos y potencia para el registro, control y regulación del proceso físico de producción.

La forma de la pirámide se debe principalmente a la disposición jerárquico-lógica de los diferentes niveles. Sin embargo, también representa las condiciones marco previamente válidas para la transmisión de datos industriales: altas velocidades de transmisión y distancias cortas a través de Ethernet, bajas velocidades de transmisión y largas distancias a través del bus de campo.

Revolucionando

Entonces, ¿por qué esta divagación? Ethernet industrial y especialmente Single Pair Ethernet están revolucionando esta pirámide de automatización. Con el desarrollo de protocolos basados en Ethernet como EtherNet/IP, Profinet o EtherCAT, se introdujo la transmisión de datos en tiempo real desde el nivel de la empresa hasta el nivel de campo.

Los interfaces físicos se hicieron más potentes, pero también más complejos en términos eléctricos, ya que había que proteger la transmisión de datos de elementos como la suciedad, las vibraciones y la radiación electromagnética. Por ello, los fabricantes de la tecnología de conexión desarrollaron interfaces Ethernet especiales con protección IP6x para cumplir con estos requisitos cada vez mayores a nivel de campo. Para la cúspide de la pirámide de automatización, tanto a nivel empresarial como operativo, las soluciones IP20 seguían siendo suficientes.

Transmisión de datos "al cuadrado"

Hasta ahora, los esfuerzos de estandarización se han limitado a velocidades de datos cada vez más altas y a mayores exigencias en la tecnología del cableado. Estos requisitos fueron definidos por clases de rendimiento cada vez más altas en el cableado basado en cobre - las Categorías (Cat).

El Single Pair Ethernet no define de nuevo anchos de banda o distancias de transmisión mayores, sino que constituye el marco normativo para un cableado reducido que se adapte a la aplicación. Las normas IEC 63171-2 (IP20) e IEC 63171-5 (IP67) se centran en velocidades de transmisión más bajas de 10 a 100 Mbps. Sin embargo, el cableado de datos con un único par de hilos permite distancias de transmisión de hasta 1000 metros. Así, por primera vez, el SPE se puede usar en áreas de aplicación y aplicaciones en las que el Ethernet convencional no se ha podido usar hasta la fecha, por ejemplo en la tecnología de procesos. La ventaja para los operadores de la planta: el cableado de datos puede realizarse de forma continua en base al protocolo Ethernet, por ejemplo, en diferentes entornos se pueden utilizar interfaces y caras enchufables de los conectores idénticos.

Otra ventaja es que los interfaces de un único par son considerablemente más compactos que los conectores de dispositivos de dos o cuatro pares y que los conectores para cable. De este modo, el SPE apoya la tendencia continua hacia dispositivos compactos y descentralizados en la automatización industrial, la industria de procesos, la automatización de edificios y las aplicaciones de telecomunicaciones e infraestructura. En definitiva, el SPE puede convertirse en el ADN del Internet industrial de las cosas (IIoT).

Interface del conector, de reconocida fiabilidad

Para asegurar la compatibilidad consistente de todos los interfaces, el IEEE ha formado grupos de trabajo para la descripción normativa de diferentes aplicaciones con velocidades de transmisión de 10, 100 y 1000 Mbps. Ya se han adoptado las normas para 10-Base-T1, 100-Base-T1 y 1000-Base-T1.

Phoenix Contact es uno de los principales impulsores de la estandarización de los interfaces correspondientes. Junto con los socios de mercado Reichle & De-Massari y Weidmüller, el especialista en tecnología de conexión desarrolla los interfaces de los conectores protegidos y no protegidos para cables de un solo par y de cuatro pares. El modelo MICE describe su robustez mecánica (M1 o M2/3), protección IP (I1 o I2/3), resistencia química y climática (C1 o C2/3) y seguridad electromagnética (E1 o E2/3).

Los conectores compactos son ideales para el cableado eficiente de los numerosos participantes de la comunicación, ya sea a través de un soo par de cables o a través de cuatro pares de cables para cuatro participantes que comparten una línea y un interface común. Gracias al interface común, se pueden mezclar conceptos de cableado de uno y cuatro pares, así como soluciones IP20 e IP6x. Las posibles aplicaciones son la división de los conceptos de cableado de ocho hilos en cuatro pares SPE individuales para cuatro participantes de comunicación diferentes, o el dimensionado de pares individuales dentro de las interfaces de dispositivos de ocho hilos. La tecnología de dos hilos también permite la alimentación de dispositivos terminales con salidas de hasta 60 vatios a través del mismo par de hilos (Power over Data Line - PoDL).

El futuro de la tecnología de la comunicación

El SPE no puede considerarse una megatendencia en la transmisión de datos industriales independiente de otros esfuerzos de normalización. El marco básico para el futuro de la tecnología de la comunicación industrial se está creando paralelamente en varios comités y proyectos. Los nuevos estándares de comunicación, como el Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA), Time-Sensitive Networking (TSN) y el 5G forman la base para una conexión continua a la red desde el sensor, pasando por la máquina y los sistemas de nivel superior hasta la nube.

Los nuevos estándares superarán a los protocolos e interfaces existentes en términos de coste, rendimiento de datos y latencia. Como líder tecnológico con más de 30 años de experiencia en comunicación industrial, Phoenix Contact participa activamente en todos los comités de normalización relevantes. El objetivo: nada menos que un nuevo estándar de comunicación para la automatización independiente del fabricante.

Hoy en día, OPC UA ya sirve como un estándar de comunicación superpuesto en las plantas. El OPC UA se está ampliando ahora con perfiles de aplicación estandarizados en el campo, por ejemplo, para aplicaciones de E/S, seguridad o accionamiento. Además, se definen modelos de equipos estandarizados para una configuración y diagnóstico uniformes de los equipos de la red.

Resumen

Single Pair Ethernet (SPE) conecta el mundo IP20 de la empresa y del nivel operativo con el mundo IP6x del nivel de control y de campo, abriendo así nuevas áreas de aplicación. El objetivo es la conexión sin fisuras de todos los participantes de la comunicación en base al mismo protocolo e interfaces uniformes. Gracias a la reducción del cableado con solo uno o cuatro pares de cables individuales, los usuarios pueden construir estructuras de cableado y de red eficientes desde el sensor hasta el nivel de control y empresa, pasando por la nube. Además de velocidades de datos de hasta 1000 Mbps, el cableado SPE también permite alimentar los dispositivos finales con una potencia de hasta 60 vatios.

Single Pair Ethernet - de un vistazo

• El Single Pair Ethernet (SPE) describe los interfaces físicos para la transmisión de datos y alimentación con un solo par entre diferentes dispositivos de comunicación.
• El IEEE desarrolla estándares para diferentes aplicaciones con velocidades de transmisión de datos de 10 (802.3 cg), 100 (802.3 bw) y 1000 Mbps (802.3 bp) y longitudes de cable de 15 a 1000 metros.
• Phoenix Contact, Reichle & De-Massari y Weidmüller desarrollan modelos estandarizados de conectores para entornos IP20 e IP6x.

Single Pair Ethernet - los estándares relevantes

• IEC 63171-2: Conectores SPE para IP20
• IEC 63171-5: Conectores SPE para IP67
• ISO/IEC 11801-1: Requisitos generales para cables de par trenzado y de fibra óptica.

Phoenix Contact
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