Single-pair Ethernet:ä (SPE) mainostetaan tulevaisuuden teknologiana. Se mahdollistaa jatkuvan ja reaaliaikaisen tiedonsiirron aina kenttätasolle asti. Neljän johdinparin sijaan single-pair-ethernet -kaapeleissa on vain yksi johdinpari. Liitinstandardeissa on kuitenkin vielä eriävyyksiä. Standardisointiprosessissa on tällä hetkellä käsittelyssä useita eri esityksiä, jotka kilpailevat käyttäjien suosiosta. Tässä artikkelissa käsitellään SPE:n perusteita ja ”raapaistaan pintaa” teknologiasta ja sen mahdollisuuksista.
SPE-kaapelit ovat tilaa säästävä ja toimivampi ratkaisu kuin edeltäjänsä. Ideana SPEn kehittämisen taustalla on, että nykyiset Cat6- ja Cat7-kaapelit ovat liian suurikokoisia liitettäväksi yksittäisiin antureihin kentällä. Parien määrän laskiessa neljästä yhteen saavutetaan luonnollisesti ajansäästöä johdinten asentamisessa ja liittämisessä. Itse kaapelit ovat myös ohuempia ja kevyempiä ja niitä saa mahtumaan esim. hyllyille, kouruihin tai kanaviin useampia.
SPE yhteenliittymiä/alliansseja on kolme: SPE System Alliance, SPE Industrial Partner Network ja SPE Consortium/(SPEC). Näiden eroista tarkemmin alapuolella.
Kaikkien jäsenyritysten päätavoitteena on edistää SPE-teknologiaan liittyviä tiedonsiirtostandardeja, jotka ovat hieman erilaisia lähestymiskulmasta riippuen. Toiset ovat ottaneet kohdemarkkinakseen kiinteistöjen IP20 verkot ja toisilla lähestymistapa on teollisuuden rankemmat olosuhteet.
SPE pähkinänkuoressa
- Ethernetin nelipariset kaapelit ja liittimet korvautuvat yhdellä
- Mahdollistaa virran syötön dataverkon yli PoDL
- Mahdollistaa IP-yhteydet verkon yli alimmalle automaatiotasolle saakka
- Sovellusalueita: toimilaitteet, anturit, robotiikka, hissit, rakennukset
- Jopa 1000m aktiivilaitteiden väli
- Max 1GBit/s/ 40m
- 10MBit/s 1000m
- 63171-6, ja -5 Liitinstandardit ovat parhaat teollisuuteen M8 & M12 liittimillä ja tiiveydeltään
- Ensimmäiset reitittimet jo markkinoilla
- Korvaa analogiset liitännät, väyläjärjestelmät ja muut kenttätason omat rakennelmat
Lyhenteitä
- TSN=Time sensitive networking
- OPC UA = OPC Unified Architecture (OPC säätiön kehittämä koneiden välinen kommunikaatio
- IIOT=Industrial Internet Of Things
- PoDL=Power over dataline
Standardit
- IEC 63171-1
- IEC 63171-2 IP20 kiinteistöt ja rakennukset
- IEC 63171-5 IP67 teollisuuden käyttö
- IEC 63171-6 IP 67 teollisuuden käyttö
SPE T1 Teknologia -standardit ja eri komponenttiryhmät
Industrial Partner Network on tällä hetkellä kehityksessä lähimpänä teollisuuden käytäntöä. He toteuttavat tiedonsiirtostandardia IEEE 802.3 ja IEC SC46C ja keskittyvät erityisesti IEC 63171-6 -standardin mukaiseen yhtenäiseen laiteliitäntärajapintaan nimeltä T1 Industrial sekä IEC 61156 -standardin mukaisiin SPE-kaapeleihin. Myös SPE System Alliancen valmistajat tarjoavat tiivimmän IEC63171-5/IP67 mukaisen 
liitinstandardin alaisia liittimiä. kuvassa on esitetty SPE T1 Teknologia -standardit ja eri komponenttiryhmät.
SPE:n ominaisuuksia ja etuja
SPE:n yhtenä merkittävänä etuna on tiedonsiirto automaatiojärjestelmän kaikille portaille antureista pilveen saakka. Aiemmin varsinkin anturi-/toimilaitetason laitteita ei ole yleensä integroitu verkkoon suoraan, vain signaalinmuuntimien tai yhdyskäytävien avulla, joka on sekä monimutkaista, että kallista. Tavallinen Ethernet ei ole ollut taloudellinen valinta anturien ja toimilaitteiden suoraan yhdistämiseen jo pelkästään liittimenkin vuoksi. Koska SPE-kaapelissa on vähemmän johtimia ja se on ohuempi, myös liitäntävaihtoehdoista tulee edullisempia. SPE:stä on myös etua keskuksissa, sillä SPE-komponentit vievät vähemmän tilaa ja ovat siten kustannustehokkaampia.
Toisena SPE mahdollistaa myös suuremmat etäisyydet. Kuparilankaisen Ethernetin kaapelipituus on tällä hetkellä rajoitettu 100 metrin etäisyyteen. SPE-kaapelin enimmäispituus on jopa 1 000 metriä (esim. TE Connectivity testannut 996m).
Kolmas SPE:n eduista on nopeus, joka mahdollistaa 10Mb/s - 1Gb/s yhtä paria pitkin, eli esim. konenäköanturit saadaan toimimaan tarvittavalla nopeudella. Neljäs etu on päätelaitteiden virransyöttö PoDL:n (Power over Data Line) avulla. Näiden tehoissa on rajoituksia ja esim. TE Connectivityn hybridiliittimen syöttömaksimi on 400w laite.
SPE tuotteet ja mahdollisuudet
T1 Industrial standardin liittimet ovat teollisuudesta tutussa M8- tai M12-koossa ja IP67-luokiteltuja. Esim. TE Connectivityn M8 hybridiliitin tarjoaa jopa 400w tehon apulaitteelle (PoDL) ja toteuttaa standardin IEC63171-6. Toki PoDL liitin on vain Point-to-Point liikenteelle, mutta jos erillistä teholähdettä ei tarvita on liitin ainakin harkinnan arvoinen tulevaisuuden laitteita ja yhteyksiä suunniteltaessa.
Harting on teknologiassa myös vahvasti mukana. Kuvassa on esitetty heidän SPE IP20 liittimensä, johon on jo saatavilla paljon vaihtoehtoliittimiä ja välikaapeleita. Hartingilla on myös M8 FastEthernet ja perinteiseen 4-pariseen teknologiaan liittyvä Ix liitin, jossa koko on 70% pienempi kuin perinteisessä RJ45 liittimessä.
Kaapelipuolella LAPP Groupin keväällä 2021 lanseeraama uusi ETHERLINE T1 Y Flex 1x2x22 / 7 AWG on UL-sertifioitu kaksijohtiminen datajohto nopeaan tiedonvaihtoon, jossa on jatkuvasti korkeat tiedonsiirtonopeudet ja huomattavasti pienempi rakenne. Kaapelin poikkileikkaus on esitetty viereisessä kuvassa. Pienten taivutussäteiden ja pienen ulkohalkaisijan ansiosta se on erityisen paino- ja tilansäästävä sekä helppo asentaa ja välttämätön kenttätason kytkennässä.
Useimmat kaapelivalmistajat tekevät kaapelit AWG mitoituksella kuten Ethernetin aiemmissakin kaapeleissa on ollut. Johtimien vahvuudet vaihtelevat AWG 18-AWG26 VÄLILLÄ, joista AWG 18 mahdollistaa tiedonsiirtopituudet aina yhteen kilometriin saakka.
Single Pair Ethernet uuden sukupolven autoissa
Single Pair Ethernet on jo Saksassa otettu käyttöön uuden sukupolven autoissa, joissa se korvaa CAN- ja muita väyläjärjestelmiä. Ohjaus-, viestintä- ja turvallisuustoiminnot toimivat tulevaisuudessa yhtenäisesti Ethernetin kautta. Tämä on yksi edellytys myös verkottuneelle tai myöhemmässä vaiheessa autonomiselle ajamiselle. Monet pienemmät liikkuvien laitteiden tai autojen valmistajat ovat myös ottaneet SPE:n käyttöön ajoneuvoväylissä kustannusten takia, eli kokonaisuus on SPE:llä toteutettuna halvempi kuin esim CAN- väylällä.
Single Pair Ethernet teollisuusautomaatiossa
Single Pair Ethernetin käyttö kannattaa myös teollisuusautomaatiossa. Yksiparikaapelointi on nopeaa, tilaa säästävää, kustannustehokasta ja helppoa toteuttaa. Yksinkertaisten antureiden, kameroiden ja vastaavien varustaminen SPE teknologialla mahdollistaa yksinkertaisemman, tehokkaamman, nopeamman ja asennukseltaan nopeamman ympäristön koko teollisuusautomaation kentälle. Kenttälaite- ja operaattoritasolla ei tarvita niin suurta ammattitaitoa esim. vikatilanteissa, koska SPE:n avulla päästään sinne käsiksi kauempaakin.
SPE -tuotteet ja osaaminen Yleiselektroniikasta
Yleiselekroniikan asiantuntijat auttavat myös SPE tuotteiden speksaamisessa, ongelmanratkaisussa ja tuotekehityksen suuntaamisessa.
Boreo Oyj/ Yleiselektroniikka
Olemme asiantunteva, palveleva ja sanansa mittainen teknisen kaupan yhtiö, joka yhdistää suuret kansainväliset päämiehet ja Suomalaiset asiakkaat osaamisen, palvelun ja innovaatioiden kautta kaikkia hyödyttävällä tavalla.
Yleiselektroniikka on TE Connectivityn, LAPP Groupin ja Hartingin jälleenmyyjä Suomessa.
Artikkelin kirjoittaja on YE:n tuoteryhmäpäällikkö Antti Keskinen, jolla on yli 16-vuoden tausta sähkö-, automaatio- ja prosessiteknisestä B2B-kaupasta.