SPE: een nieuwe familie van netwerkoplossingen

Single Pair Ethernet – de technologie die het mogelijk maakt om Ethernet door te trekken over tweedraadsbekabeling – biedt heel wat interessante mogelijkheden om bestaande netwerken te upgraden of nieuwe connecties goedkoper te realiseren. De eerste Technology Days van de SPE System Alliance gaf eind september een stand van zaken van wat vandaag mogelijk is.

De SPE System Alliance is ontstaan uit een samenwerking tussen Phoenix Contact, Weidmüller, Reichle & De-Massari (R&M), Fluke Networks en Telegärtner om kennis over Single Pair Ethernet (SPE) uit te wisselen en de technologie te promoten. Intussen hebben zich nog tal van leveranciers aangesloten en in september werd voor de eerste keer de Technology Days georganiseerd – een online event dat alle aspecten van SPE, van use cases tot de ins en outs van de technische implementatie, behandelde.

Wie zich wil verdiepen in de bits en bytes verwijzen we graag naar het event zelf dat momenteel nog online beschikbaar is, of de leveranciers van de SPE System Alliance. In dit artikel beperken we ons tot een algemene inleiding over wat SPE is en wat de mogelijkheden zijn, zoals tijdens het event besproken in lezingen van Xaver Schmidt van Profibus & Profinet International (PI) en Henry Muyshondt van Microchip Technology.

SPE familie

De introductie door PI is interessant omdat ze een goed beeld geeft van de revolutie die momenteel plaatsvindt in de wereld van industriële netwerken. PI is ontstaan uit de wereld van de veldbussen die ooit golden als de ultieme oplossing inzake digitalisering maar vandaag slechts een onderdeel zijn van een uitgebreid labyrint aan connectiviteitsoplossingen.

De doelstelling van organisaties als PI is geëvolueerd naar het uitwerken en aanbieden van een architectuur waarin datamodellen, IT-integratie en coëxistentie centraal staan om business doelstellingen zoals optimalisatie te realiseren. De implementatie omvat een hele reeks technologieën en protocollen, waaronder nu dus ook Single Pair Ethernet.

Daarbij dient opgemerkt dat SPE zelf ook weer een paraplu is die meerdere technologieën omvat. SPE slaat op de fysieke laag helemaal onderin in het OSI-model voor datanetwerken. Wat de SPE familie kenmerkt is het gebruik van tweedraadsverbindingen, maar verder zijn er verschillende oplossingen met elk hun eigen karakteristieken in datasnelheid, lengte en ratings voor voeding over het netwerk. Sommige oplossingen maken gebruik van switchen terwijl andere een multidrop topologie hebben.

IEEE 802.3

Een oplossing binnen de SPE familie die al redelijk bekendheid geniet, is de Advanced Physical Layer (APL) die in de procesindustrie gepromoot wordt om Ethernet naar instrumenten te brengen die tot nu toe over 4..20 mA communiceerden. APL maakt het mogelijk om de bestaande bekabeling te hergebruiken door APL switches in de kasten te installeren.

APL bouwt verder op de IEEE 802.3cg standaard (10BASE-T1L) die vorig jaar gepubliceerd werd. In zones met explosierisico kan APL geïmplementeerd worden via de technische specificatie IEC TS 60079-42 (2WISE).

10BASE-T1L is een fysieke laag die gedefinieerd is voor punt op punt verbindingen waarbij een afgeschermde kabel gebruikt wordt over langere afstand. In de norm IEEE 802.3cg wordt ook 10BASE-T1S vastgelegd – een fysieke laag over kortere afstanden waarmee zowel punt op punt (van switch naar device) als multidrop toplogieën geïmplementeerd kunnen worden. In dat laatste geval wordt gebruikgemaakt van Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) – een technologie waarbij elke deelnemer op een segment zijn beurt afwacht om te communiceren zodat collisies de bandbreedte niet naar beneden kunnen halen.

Use cases

Tijdens de Technology Days van de SPE System Alliance werden heel wat use cases besproken waarin een mogelijk gebruik van Single Pair Ethernet aandacht verdient.

Zoals eerder aangehaald bij APL biedt SPE de mogelijkheid om Ethernet door te trekken op bestaande tweedraadsbekabeling en dat is allicht ook de belangrijkste use case. Het biedt de mogelijkheid om eenvoudige, analoge instrumenten te vervangen door meer geavanceerde toestellen en/of ten volle de functionaliteiten te gebruiken van slimme instrumenten die nog op een 4..20 mA connectie zitten.

Een andere use case is dat SPE in veel gevallen gewoon een betere keuze kan zijn voor een Ethernet verbinding dan een klassieke UDP-kabel. De SPE standaard voorziet bijvoorbeeld in robuuste connectoren wat een verbetering kan zijn tegenover de RJ45 plugjes.

Een derde use case is het gebruik van SPE over lange afstanden als alternatief voor glasvezelkabels. Wanneer goed uitgevoerd met afgeschermde kabels zou SPE afstanden tot een kilometer moeten kunnen overbruggen.

En tot slot is er nog de algemene use case van het IoT. Voor heel wat situaties waarin het plaatsen van extra sensoren een meerwaarde zou kunnen bieden is het aanleggen van de bekabeling het struikelblok dat het project te omslachtig of te duur maakt. SPE kan in die gevallen een interessant alternatief bieden.

All-Ethernet architectuur

De belangrijkste drijfveer voor de implementatie van Single Pair Ethernet is uiteraard de evolutie die al jaren aan de gang is naar zogenaamde All-Ethernet architecturen. Door Ethernet als gemeenschappelijk protocol te nemen over verschillende fysieke lagen die samen een netwerk vormen, worden heel wat uitdagingen in het vertalen van protocollen vermeden. Switches in het netwerk zorgen er op een transparante manier voor dat verschillende delen in het netwerk elk een andere snelheid kunnen hebben. Bovendien kan men gebruikmaken van een groot ecosysteem met leveranciers en oplossingen waarin aspecten zoals security voldoende uitgewerkt zijn. In dat ecosysteem is SPE een waardevolle aanvulling.

© Productivity.be, 27/09/2020, Tekst: Erwin Vanvuchelen, Foto: PI