Cómo utilizar Ethernet de un solo par para ahorrar espacio y peso mientras se mejora el rendimiento del IoT industrial

Ethernet es el estándar de red por cable más popular para las redes del Internet Industrial de las cosas (IIoT), ya que ofrece un sólido rendimiento y una fiabilidad probada. Además, la alimentación a través de Ethernet (PoE) reduce el cableado al proporcionar energía a los sensores y a los puntos finales de la IIoT a través del mismo cable Ethernet. Ethernet también se ha convertido en un estándar en los vehículos de pasajeros, sustituyendo en muchos casos el protocolo de serie de la Red de Área de Controladores (CAN). Esto ofrece notables ventajas para la conducción autónoma y los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), gracias a la fiabilidad y la alta velocidad de datos de Ethernet.

Sin embargo, en las grandes redes de IIoT, los haces de cables Ethernet pueden llegar a ser tan grandes, pesados y engorrosos que los haces de cables pueden convertirse en obstrucciones que pesan sobre los equipos, requiriendo refuerzos adicionales. Esto es especialmente problemático para las aplicaciones de automoción, donde el peso y el espacio extra reducen la capacidad y el kilometraje. En las aplicaciones de transporte industrial, como camiones, trenes de pasajeros y de carga, y aviones, el tamaño y el peso adicionales de los cables pueden ser lo suficientemente grandes como para tener que compensarlos en el diseño del sistema, lo que aumenta los costos y ralentiza los tiempos de preparación.

Para solucionar estos problemas, los fabricantes han introducido conectores y cables Ethernet de un solo par (SPE) que también admiten líneas de alimentación sobre datos (PoDL). El SPE proporciona una transmisión de datos de alta velocidad, así como energía, a través de un solo par trenzado de conductores. En este artículo se explican las ventajas del SPE para aplicaciones industriales y de transporte. A continuación, se analizarán dos conectores SPE de Phoenix Contact, así como de dos cables SPE adecuados para aplicaciones SPE.

Comparación de SPE y Ethernet convencional

Ethernet es el estándar de red por cable más popular para las redes de área local (LAN) comerciales e industriales. Las versiones más utilizadas son Ethernet 10/100Base-T, que utiliza dos pares de hilos trenzados para transmitir datos, y Gigabit Ethernet, que utiliza cuatro pares trenzados. A medida que los sistemas de automatización industrial exigen velocidades más rápidas, Gigabit Ethernet con PoE se ha hecho más popular para conectar computadoras a sensores. Normalmente, se utiliza un cable de cobre de 24 CAE (AWG) para los pares trenzados. Estos ocho hilos suelen estar encerrados en un cable CAT5e de calidad industrial cubierto con cinta de espuma y un apantallamiento de lámina. En una gran instalación industrial, se pueden ver cientos de estos cables tendidos por todo el edificio. Estos haces de cables pueden llegar a ser pesados, y en lugar de pasarlos por el suelo donde alguien puede tropezar con ellos, se agrupan en arneses que se fijan a las paredes y al equipo. Estos haces pueden pesar 50 libras (lb) o más, y si no se tiene en cuenta el peso añadido de los cables adicionales, pueden tensar o romper el sistema de soporte de cables o incluso derribar el equipo.

Además, los cables Ethernet convencionales tienen un límite de longitud de 100 metros (m). En las instalaciones industriales más grandes y en los sistemas de automatización de edificios, a veces hay que utilizar repetidores para ampliar el alcance de los cables Ethernet y poder llegar a los sensores remotos. Esto aumenta la complejidad del sistema e introduce otro punto de mantenimiento. Con el tiempo extra y el gasto añadido que supone el tendido de estos cables gruesos y pesados, está claro que se necesita un método de cableado alternativo.

El SPE proporciona datos bidireccionales y transmite energía utilizando un cable de par trenzado. Admite longitudes de cable de hasta 1000 m, lo que amplía el alcance de los sensores conectados en red sin necesidad de utilizar repetidores. Esto reduce significativamente el peso y facilita la instalación, simplificando el diseño, proporcionando la máxima eficiencia energética, una huella más pequeña y menores costos de configuración y mantenimiento en comparación con la Ethernet convencional. Aunque los sistemas industriales pueden utilizar cubiertas apantalladas para evitar que los haces de cables se interfieran entre sí, también se admiten cables ligeros sin apantallar. Esto es una ventaja en las aplicaciones de automoción, ya que permite utilizar cables ligeros que pueden colocarse más fácilmente en zonas con poco espacio, como debajo de los asientos y de los estribos. Con las ventajas combinadas de un cable más pequeño y ligero, junto con el suministro de datos de alta velocidad junto con el de energía en un solo par de cables rentables, se espera que el SPE se convierta en un estándar de comunicaciones industriales popular, si no dominante.

Conceptos básicos de SPE

La especificación formal del IEEE para la SPE de 10 megabits por segundo (Mbit/s) es 802.3cg. Admite la comunicación de datos en dúplex completo hasta 1000 m.

La norma IEEE 802.3bw admite la comunicación de datos full dúplex de hasta 100 Mbits/s para cables de hasta 50 m. Se dirige a los sensores de alta velocidad en aplicaciones industriales y algunas aplicaciones de automoción.

La norma IEEE 802.3bp admite la comunicación de datos en dúplex completo a una velocidad de hasta 1000 Mbits/s para una longitud de cable de hasta 15 m. Con esta longitud de cable, es aplicable a algunas aplicaciones de sensores industriales, pero es especialmente adecuado para el video de alta definición, así como para pequeñas aeronaves y aplicaciones comerciales de automoción en las que los datos de los sensores de alta velocidad deben transmitirse a una distancia relativamente pequeña.

En la actualidad, IEEE 802.3ch admite hasta 10 gigabits por segundo (Gbps) con una longitud de cable de hasta 15 m. Es similar a 802.3bp, pero incluye la capa física (PHY). Esto se centra principalmente en las aplicaciones comerciales de automoción y transporte industrial, donde las altas velocidades de datos, el menor diámetro de los cables y, sobre todo, el menor peso son consideraciones muy importantes para el diseño del sistema.

SPE con PoDL proporciona energía al sensor o punto final de Ethernet a través del mismo par trenzado, con la cantidad de suministro de energía determinada por la longitud del cable y el calibre del cable. Con una longitud máxima de 1000 m y un cable de 14 CAE (AWG), la especificación IEEE permite una potencia de 60 voltios y 13.53 vatios en el punto final.

Hardware industrial SPE

Las conexiones industriales SPE no utilizan conectores RJ45, sino el nuevo estándar de conectores IEC 63171 T1. Phoenix Contact suministra una familia de conectores y cables SPE destinados a aplicaciones industriales.

Para las aplicaciones industriales SPE que necesitan una resistencia IP67, Phoenix Contact ofrece una verdadera conexión M8 utilizando el inserto 1163793 SPE M8-2 con la carcasa 1412502 M8 (Figura 1). La combinación del conjunto de carcasa e inserto proporciona una protección IP67, adecuada para entornos industriales difíciles. El conjunto ligero también es apropiado para los sistemas de aviación y transporte.

Figura 1: El inserto 1163793 M8-2 de Phoenix Contact (izquierda) y la carcasa 1412502 M8 (derecha) proporcionan una verdadera solución SPE M8 con protección IP67 cuando se ensamblan. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

El conjunto de conectores puede suministrar PoDL hasta 72 voltios a 4 amperios (A) y está clasificado para temperaturas que van desde -40 °C a +85 °C, lo que lo hace apropiado para alimentar puntos finales de IIoT y nodos de sensores en entornos exteriores. El popular formato de conector M8 facilita a los fabricantes de sistemas la adaptación de los sensores y equipos existentes con conectores M8 a SPE. El conjunto de conectores SPE utiliza un patrón de conector SPE M8-2 estándar con codificación D para garantizar que solo se insertan cables SPE en el conjunto de conectores.

Hardware SPE para empresas

El SPE también es apropiado en los sistemas empresariales, incluidos los entornos de oficina, donde los cables más ligeros y de menor diámetro son más fáciles de construir y tender. Las aplicaciones industriales IP67 pueden interactuar fácilmente con estos sistemas empresariales utilizando la misma red SPE. Para las aplicaciones empresariales que suelen requerir un grado de protección IP20, una solución adecuada es el conector modular SPE 1163797 de Phoenix Contact, un conector IEC 63171 soldado con orificio pasante con un clip de bloqueo para garantizar una conexión sólida del cable (Figura 2).

Figura 2: La toma modular SPE 1163797 de Phoenix Contact es compatible con todos los estándares SPE actuales. Tiene capacidad para suministrar hasta 72 voltios a 4 A. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

El inserto M8-2 está enchavetado para evitar errores de conexión. El conector tiene dos clavijas de aleación de cobre chapadas en oro que mantienen la resistencia de contacto al mínimo, lo que le permite suministrar PdL de hasta 70 voltios a 4 A. La carcasa M8 es de latón con un chapado de níquel para proporcionar resistencia a la corrosión.

El 1163797 es compatible con todas las especificaciones actuales de conectores SPE de 802.3cg/bu/bw/bp. Está construido para soportar entornos difíciles, con ciclos de inserción y retirada especificados en más de 750, está clasificado como IP20, tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C y mide 5 x 8.35 x 14.2 mm. Esto lo hace apropiado para el montaje por soldadura en ordenadores monoplaca (SBC), así como en controladores lógicos programables (PLC), donde los cables se intercambian ocasionalmente. Entre los ejemplos de escenarios en los que esto resulta útil se encuentran las instalaciones de fabricación que pueden necesitar ser reconfiguradas para diferentes conjuntos de productos.

Cables SPE para IIoT

Para conexiones SPE cortas, Phoenix Contact suministra el cable SPE 1183808 de 2 m. Este cable soporta PoDL hasta 72 voltios a 4 A y tiene dos receptáculos SPE en cada terminación del cable (Figura 3). Mientras que la Ethernet convencional tiene enchufes en los extremos del cable y receptáculos en los extremos, el hardware de la SPE es inverso.

La cubierta del cable es de poliuretano, resistente a la luz ultravioleta (UV), a la abrasión y a la mayoría de los disolventes. Los cables de poliuretano también son resistentes a la contracción y al agrietamiento causados por la exposición a la luz solar y al agua, así como a los abusos habituales en los entornos industriales. El cable está protegido de las interferencias electromagnéticas (EM) mediante un apantallamiento estañado y trenzado de cobre que se envuelve en papel de aluminio plastificado. Esto lo hace apropiado para entornos eléctricamente ruidosos, especialmente cuando se combina con otros cables de alta velocidad.

Figura 3: El cable SPE 1183808 de Phoenix Contact tiene una longitud de 2 m y una cubierta protectora de poliuretano. Está protegido contra la EMI y admite velocidades de datos de hasta 1000 Mbits/s. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Los contactos del receptáculo del cable son de aleación de cobre y admiten una transmisión de datos de 10 Mbit/s compatible con 802.3cg, así como velocidades de 100 Mbit/s 802.3bw. La velocidad de transmisión más alta es 802.3bp 1000 Mbits/s, lo que la hace apropiada no solo para sensores, sino también para equipos de videovigilancia de alta definición (HD).

Mientras que la cubierta del cable es inmune al agua y al polvo, además de ser resistente a las llamas según la norma UL94V0, el conjunto del cable tiene una clasificación IP20 debido a los conectores de terminación del cable. Cada conector tiene un clip de bloqueo para conectar de forma segura el cable al punto final de la toma. Este mecanismo de bloqueo forma parte de la norma de los conectores SPE para evitar su retirada accidental en entornos con mucho tráfico. El cable está preparado para funcionar a una temperatura de entre -40 °C y +85 °C y para realizar hasta 750 ciclos de inserción y extracción. Es adecuado para su uso en interiores con paneles de conexión, así como para las conexiones entre los sensores IIoT y las cajas de conexiones SPE.

Para aplicaciones que requieren un cable más largo, Phoenix Contact ofrece el cable SPE 1183811 de 5 m, que tiene las mismas especificaciones que el 1183808.

Conclusión:

El paso a la SPE en aplicaciones como la IIoT, la automoción y la empresa, ayuda a los diseñadores a satisfacer la necesidad de soluciones de conectividad de alta velocidad que sean más ligeras, más pequeñas y más fáciles de usar, al tiempo que se reduce el costo. Sin embargo, los diseñadores deben tener cuidado al seleccionar los conectores y cables que utilizan cuando despliegan redes basadas en SPE para garantizar una conectividad fiable en entornos físicamente duros y eléctricamente ruidosos.

Como se ha mostrado, existen variaciones de conectores que permiten que los sistemas empresariales con clasificación IP20 se interconecten fácilmente con los sistemas de control industrial IP67 con verdaderos conectores M8 SPE, proporcionando una conectividad y un suministro de energía sin fisuras en ambos entornos. Con la capacidad añadida de PoDL, la conectividad SPE facilita el suministro de energía y datos a los puntos finales de la IIoT en entornos empresariales e industriales sin necesidad de cableado adicional, lo que simplifica y agiliza enormemente las implementaciones.