Các thiết bị được kết nối có chức năng cảm biến và điều khiển tiên tiến đang ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp, làm nảy sinh khái niệm kết nối công nghiệp trong quá trình kết nối của chúng. Dù có dây hay không dây, việc nâng cao hiệu quả tự động hóa đã trở thành ưu tiên hàng đầu. Mật độ cao của các thiết bị cảm biến và điều khiển đương nhiên dẫn đến tăng cường kết nối. Mặc dù mạng không dây công nghiệp có thể giải quyết một số thách thức kết nối ở một mức độ nhất định, nhưng chúng thường yêu cầu một số dạng kết nối vật lý và mạng không dây không phù hợp với mọi môi trường công nghiệp.
Sự trỗi dậy của Ethernet đơn{0}}cặp (SPE) trong các kịch bản công nghiệp
Trong kết nối được đề cập ở trên, kết nối Ethernet có thể yêu cầu nhiều dây để có tốc độ Ethernet 100 Mbps hoặc thậm chí là Ethernet Gbps nhanh. Những nhược điểm như độ phức tạp, chi phí cao và không có khả năng đảm bảo trao đổi thông tin kịp thời được thu thập bởi các cảm biến không đáp ứng được kỳ vọng của kết nối công nghiệp.
Công nghệ Ethernet đơn{0}}cặp là công nghệ kết nối có thể đạt tốc độ 1 Gb/giây trong khoảng cách ngắn và cho phép liên lạc hai-chiều. Ban đầu, công nghệ kết nối này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ô tô. Theo tiêu chuẩn truyền dẫn IEEE 802.3, công nghệ Ethernet-cặp đơn đã được tích hợp vào các phương tiện-thế hệ mới, thay thế CAN và các hệ thống xe buýt khác. Công nghệ này có thể thống nhất các chức năng điều khiển, liên lạc và an toàn khác nhau để hoạt động qua Ethernet, đáp ứng chính xác nhu cầu kết nối tự động hóa công nghiệp.
Yếu tố thúc đẩy trực tiếp nhất để giới thiệu Ethernet-cặp đơn trong các tình huống công nghiệp là đáp ứng nhu cầu giao tiếp hai-hiệu quả trong các ứng dụng. Tốc độ kết nối 1 Gb/giây cho phép kết nối an toàn-theo thời gian thực từ thiết bị đến cơ sở hạ tầng và từ thiết bị đến đám mây. Ngoài chi phí và tính dễ sử dụng, việc tăng cường phân tích dữ liệu cảm biến và tăng tốc phản hồi lỗi khiến nó trở nên rất hấp dẫn.
Ưu điểm của Ethernet đơn{0}}cặp là gì?
Trước tiên, không cần phải so sánh Ethernet đôi-với các kết nối không dây vốn thiếu tính phổ biến trong các tình huống công nghiệp. Khi so sánh với các kết nối có dây khác, Ethernet -cặp đơn cung cấp Cấp nguồn qua Đường dữ liệu (PoDL) trong cùng một giao diện nhỏ gọn, chỉ sử dụng hai cáp để truyền cả dữ liệu và nguồn điện. Kết nối có dây truyền thống sử dụng bốn dây cáp. Ít dây cáp hơn có nghĩa là chi phí thấp hơn và mang lại sự tự do hơn cho thiết bị cơ khí. Từ góc độ quan trọng hơn, liệu việc giảm hàm lượng đồng (Cu) trong cáp có đồng nghĩa với việc truyền tải nhanh hơn với ít năng lượng hơn không? Về mặt này, việc phân tích chi phí{6}}lợi ích của một cặp Ethernet- chắc chắn là thuận lợi.
Công nghệ SPE, Liên minh SPE
Như đã đề cập, Ethernet đơn{0}}cặp có thể đạt tốc độ 1 Gb/s trong khoảng cách ngắn, với chiều dài cáp lên tới 1000 mét với tốc độ truyền 10 MB/s, sử dụng băng thông 600 MHz để liên lạc dữ liệu. Lợi thế giao tiếp của nó là rõ ràng và không cần phải giải thích thêm. Điều đáng lưu ý là một thiết bị đầu cuối của một-kết nối Ethernet đôi được sử dụng để truyền dữ liệu 1 Gbps/600 MHz và thiết bị đầu cuối còn lại hỗ trợ truyền tải điện với dòng điện lên tới 8A. Kết nối hỗn hợp giữa dữ liệu và nguồn điện này phải được bảo vệ và tách biệt về mặt vật lý để tránh nhiễu giữa tín hiệu nguồn và dữ liệu.
Nhìn chung, công nghệ này giúp giảm kích thước tổng thể của các đầu nối và giảm thiểu khối lượng công việc ở nhiều thiết bị đầu cuối. Ethernet{1}}cặp đơn đưa Ethernet xuống cấp độ bộ truyền động-cảm biến và kết nối trực tiếp các cảm biến và bộ truyền động với hệ thống tự động hóa hoặc đám mây, cung cấp hỗ trợ đáng kể cho kết nối công nghiệp.
Thử thách PoDL của Ethernet-cặp đơn
Việc đề cập trước đó về Cấp nguồn qua đường truyền dữ liệu (PoDL) trong các giao diện nhỏ gọn cũng giải quyết được sự kém hiệu quả của việc truyền tải điện đường dài-. Hiện tại, các kết nối dữ liệu Ethernet đôi{2}}tiêu chuẩn có thể đạt tới 50W và các kết nối dữ liệu nguồn điện hỗn hợp-có thể cung cấp tới 400W ở 48V. Ở đây nảy sinh một vấn đề: mức năng lượng cao có thể khiến PoDL đi chệch khỏi tiêu chuẩn. Hầu hết các thiết bị điện có thể chấp nhận mức sụt áp 10%, trong khi PoDL cho phép tối đa 20%. Trong các thử nghiệm công suất trên bộ dây PoDL, chiều dài cáp 40 mét có thể mang lại công suất gần 200W trong điều kiện này và khi cáp ngắn hơn 20 mét, mức công suất cao đạt 400W. Để tránh PoDL đi chệch khỏi tiêu chuẩn, giá trị tối đa này thường không được sử dụng.
Sử dụng PoDL kết hợp cáp dữ liệu và cáp nguồn vào cùng một dây. Mặc dù thiết lập này cho phép truyền dữ liệu và nguồn điện đồng thời nhưng nó có một nhược điểm: nó đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt về nhiễu và tốc độ thay đổi mức năng lượng, nếu không, việc truyền dữ liệu sẽ bị ảnh hưởng. Do đó, việc sử dụng các mạch lọc tốt để triệt tiêu tiếng ồn như vậy là đặc biệt quan trọng trong môi trường công nghiệp, đặc biệt đối với tiếng ồn tạo ra ở dải megahertz thấp hơn (xem hình bên dưới).
Bản tóm tắt
Ethernet đơn{0}}cặp mang lại cơ hội tiêu chuẩn hóa giao thức trong toàn bộ mạng công nghiệp. Tại sao? Xem xét số lượng lớn cảm biến và bộ truyền động trong thiết bị công nghiệp, trong khi Ethernet là tiêu chuẩn cho nhiều mạng công nghiệp, thực tế công nghiệp chứa đầy các hệ thống khác nhau và vô số cổng truyền thống. Vai trò của- cặp Ethernet đơn trong việc kết nối Ethernet với các hệ thống khác đã thu hút nhiều sự chú ý của ngành hơn là chỉ riêng lợi thế về hiệu suất của nó.