Single Pair Ethernet

Single Pair Ethernet Comunicação de equipamentos contínua desde o sensor até à cloud

A Single Pair Ethernet (SPE) permite a transmissão de Ethernet através de apenas um par de fios e assim assegura a ligação rentável e com economia de espaço dos sensores. Torna-se possível uma comunicação contínua baseada em IP até ao nível de campo. Para além da transmissão de dados, a tecnologia Single Pair Ethernet também permite o fornecimento simultâneo de energia a equipamentos finais via PoDL – Power over Data Line.

A Single Pair Ethernet satisfaz os requisitos de uma infraestrutura de rede uniforme, que é a base da Industrie 4.0 e da Internet das Coisas Industrial (IIoT).

O que se entende por Single Pair Ethernet?

A Ethernet clássica, que já combina todos os níveis superiores da pirâmide de automação, é muitas vezes inadequada para ligar o nível de campo mais baixo. A instalação é muitas vezes demasiado complexa ou as distâncias máximas não são suficientes. A tecnologia SPE expande de forma decisiva o perfil de desempenho da Ethernet clássica neste momento.

A Single Pair Ethernet é uma outra forma de camada física. Onde anteriormente eram necessários dois pares de condutores trançados para a transmissão de Fast Ethernet (100 Mbps) ou quatro pares de condutores trançados para GBit Ethernet, a Single Pair Ethernet permite a transmissão de dados através de apenas um par de fios torcido (single pair). Isto permite novas possibilidades de ligar equipamentos compactos, sensores e atuadores diretamente a partir do nível de campo. Já não são necessários subsistemas ou portas de acesso adicionais para a implementação. SPE é, portanto, o avanço da Ethernet leve e económico em termos de material para muitas áreas de aplicação atuais e futuras.

Homem com um tablet durante a comunicação baseada em IP

Comunicação contínua baseada em IP desde o nível de campo até à cloud

Infraestrutura de rede pronta para o futuro graças à comunicação baseada em Ethernet

Em comparação direta com as soluções existentes, a Ethernet com TCP/IP e o Time-Sensitive Networking (TSN) permitem a transmissão de dados em tempo real com taxas de transferência de dados significativamente mais elevadas. Com Single Pair Ethernet, isto também é possível com dados do nível de campo. A moderna tecnologia de transmissão permite uma comunicação Ethernet eficiente em termos de espaço e custos desde o sensor até à cloud. Graças à compatibilidade universal através de normas definidas para protocolos de transmissão, cablagem e componentes de dispositivos, é possível a utilização em larga escala de SPE em várias aplicações.

A transmissão de dados através de apenas um par de condutores trançado permite a utilização contínua das infraestruturas de cabo de dois fios existentes (partilha de cabos). Isto é particularmente conservador para o material, reduz o esforço de cablagem e é fácil de integrar. A tecnologia pode ser utilizada em aplicações com alcances até 1000 metros, altas taxas de dados até 10 GBit/s, assim como potências até 50 W. Uma rede SPE pode ser implementada como uma topologia em estrela ou em linha. A tecnologia satisfaz os requisitos de uma infraestrutura de rede pronta para o futuro.

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Conhecimento compacto sobre Single Pair Ethernet
Tudo o que é preciso saber sobre Single Pair Ethernet: Verena Neuhaus e Tim Kindermann, especialistas em SPE da Phoenix Contact, apresentam a tecnologia no Webinar e discutem as tendências na comunicação industrial. Também mostram como pode utilizar os produtos SPE nas suas aplicações de forma rentável.
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Webinar sobre Single Pair Ethernet com Verena Neuhaus e Tim Kindermann, especialistas em SPE da Phoenix Contact

Características da tecnologia Single Pair Ethernet


Normas Single Pair Ethernet

Normas e padrões diferentes regulam tudo em torno da tecnologia SPE, desde interfaces Ethernet passando pela cablagem até à transmissão de dados. As normas SPE estão definidas no IEEE802.3. Esta norma descreve as condições de enquadramento técnicas para a transmissão de dados baseada em Ethernet através de um par de fios. Elas diferem nas taxas de transmissão e distâncias. A IEC 63171 descreve os conectores compatíveis para estas normas SPE.

A Phoenix Contact oferece conectores IP20 de acordo com a IEC 63171-2, bem como conectores IP67 no formato M8 e M12 de acordo com a IEC 63171-5. Além disso, estão atualmente a ser desenvolvidos conectores híbridos M12 SPE de acordo com a IEC 63171-7. Os cabos SPE são definidos na norma IEC 61156-1x. Nesse caso, é possível que também as infraestruturas de cabos existentes sejam utilizadas se satisfizerem os requisitos.

Normas SPE

Trajetos de transmissão

As origens da Single Pair Ethernet encontram-se na indústria automóvel. O objetivo é realizar uma infraestrutura eficiente e uniforme que possa proporcionar um alto desempenho com o mínimo de cablagem possível. Requisitos semelhantes aplicam-se a aplicações noutras indústrias. No entanto, os 100 metros como comprimento máximo de ligação para a Ethernet clássica não são suficientes para muitas aplicações. A norma SPE 10BASE-T1L de acordo com IEEE 802.3cg permite uma distância de transmissão significativamente maior. Esta norma define a cablagem de dados com apenas um par de fios e uma distância de transmissão de até 1000 metros.

Com um comprimento de transmissão de 1000 metros, as taxas de transmissão atingem até 10 Mbps ou 1 GBit/s com um comprimento de transmissão de 40 metros. Estas taxas de transmissão são suficientes mesmo para componentes de sensores exigentes a partir do nível de campo. Assim, as interfaces SPE podem ser utilizadas universalmente para aplicações industriais.

PoDL – Power over Data Line

Graças ao Power over Data Line (PoDL), os sensores ou equipamentos de campo também são alimentados com energia ao mesmo tempo

PoDL – Power over Data Line

Para além da transmissão de dados via Ethernet, a tecnologia SPE também permite uma fonte de alimentação simultânea dos equipamentos finais. Com a ajuda da Power over Data Line (PoDL), é possível transmitir uma potência útil de até 50 W.

As diferentes classes de potência encontram-se descritas na norma IEEE 802.3bu e IEEE 802.3cg. Com esta tecnologia, é possível fornecer energia a um sensor ou atuador até 1000 metros de distância através do cabo utilizado para a transmissão de dados. O esforço de instalação e os requisitos de espaço para a cablagem de campo são minimizados.

Classes de potência PoDL

Tabela com o resumo das classes de potência PoDL

Aplicações para a Single Pair Ethernet A SPE é ideal para várias aplicações na Industrie 4.0, automação de edifícios, fábricas e processos. A tecnologia SPE pode ser facilmente integrada numa infraestrutura Ethernet existente, independentemente do ambiente em que é utilizada. Mesmo nas novas tendências de equipamentos compactos e sustentáveis, graças a cabos compactos, a Single Pair Ethernet proporciona mais espaço para os seus sistemas eletrónicos.

Indústria automóvel
Homem em frente a um ecrã na indústria transformadora
Indústria de processos
Edifícios urbanos com automação de edifícios desde o exterior
Indústria automóvel

A tecnologia de poupança de espaço adequa-se perfeitamente a aplicações na indústria automóvel. Com uma transmissão de 10 Mbps até 1 GBit/s através de apenas um par de fios torcidos e um comprimento máximo de cabo de 15 metros (não blindado) ou 40 metros (blindado), é concebido idealmente para a utilização em cablagens de veículos. Além disso, há uma série de novas normas SPE em desenvolvimento que deverão permitir taxas de transmissão de dados de até 10 GBit/s e até mais. Nas novas gerações de automóveis, a SPE substitui, portanto, o CAN, MOST, FlexRay e outros sistemas de bus. As funções de segurança, controlo e comunicações funcionam de forma uniforme via Ethernet. Este é um pré-requisito essencial para uma condução ligada em rede ou autónoma.

Homem em frente a um ecrã na indústria transformadora

Em todas as áreas de fabrico, a integração de sensores desempenha um papel fundamental. A SPE integra de forma fiável sensores, atuadores ou equipamentos de campo num ambiente Ethernet existente. Isto significa que os dados e informações do processo necessários podem ser transmitidos diretamente para o nível de controlo ou para uma cloud para análise. Ao contrário dos protocolos de bus de campo, a Ethernet permeia todos os níveis de automatização. Não são necessários gateways ou interfaces adicionais. A redução para apenas um par de fios também simplifica a cablagem dos sensores diretamente em máquinas ou sistemas. A construção, operação e manutenção de instalações tornam-se mais eficientes e rentáveis.

Indústria de processos

A ligação Ethernet de dois fios direta de equipamentos de campo e sensores em aplicações técnicas de processo em zonas Ex é possível pela Ethernet-APL. A Advanced Physical Layer (APL) utiliza o padrão 10BASE-T1-L da IEEE 802.3cg, juntamente com o padrão IEC TS 60079-47, 2021-03 (2-WISE) (2-WISE significa 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) e é compatível com métodos da proteção contra explosões, incluindo a segurança intrínseca. Torna-se possível a utilização em áreas com atmosfera potencialmente explosiva e a ligação em ponte de grandes distâncias de até 1000 metros a 10 Mbps. A nova infraestrutura de comunicação permite a utilização universal da Ethernet na indústria de processos.

Mais sobre a Ethernet-APL
Edifícios urbanos com automação de edifícios desde o exterior

Os edifícios em rede garantem uma elevada eficiência, maior segurança e funções de conforto adicionais. Utilizando um protocolo IP universal, é possível que sensores, interruptores ou termóstatos, por exemplo, possam ser ligados ao sistema de gestão de edifícios através da rede de dados local e da cloud.  A cablagem SPE contínua substitui os sistemas de bus de campo existentes, interfaces complexas ou gateways. Existe também a opção de reutilizar as infraestruturas de cabos de dois fios existentes, como p. ex. cabos de rede. A instalação e a colocação em funcionamento são significativamente simplificadas.

Mais sobre a automação de edifícios

Os nossos produtos


Conectores SPE em M8, M12, M12 Hybrid e IP 20

Conectores SPE

Os conectores de cabos e de equipamentos compactos da série ONEPAIR para Ethernet de um par são ideais para a transmissão eficiente de dados na automação de fábrica e de processos, assim como na cablagem de edifícios.

Para aplicações industriais, mesmo em utilização em campo, estabeleceram-se as frentes de encaixe de acordo com a IEC 63171-5, em formato M8 e M12. Na cablagem dos edifícios, a frente de encaixe IP20 de acordo com a IEC 63171-2 é líder. Esta frente de encaixe é a mais compacta de toda a série de normas e permite uma duplicação da densidade de embalagem em comparação com a interface RJ45 convencional. A cablagem reduzida é a base para uma comunicação Ethernet pronta para o futuro.

Bornes para placas de circuitos impressos SPE marcam pontos em aplicações da Industrie 4.0 e IIoT

Bornes para placas de circuitos impressos SPE

Na área das aplicações Industrie 4.0 e IIoT, a Single Pair Ethernet oferece uma tecnologia potente. Graças à sua codificação clara por cores e manuseamento intuitivo, os bornes para placa de circuitos impressos da série COMBICON mostram os seus pontos fortes.

Switch SPE gerível

Switches SPE geríveis

Os switches SPE geríveis oferecem pela primeira vez a possibilidade de ligar sensores e equipamentos de campo modernos com interface SPE diretamente à rede Ethernet. São assim a base para uma solução SPE inteligente na qual os dados dos sensores do nível de campo são integrados na cloud e na Internet.

Graças à norma SPE 10 BASE-T1L, o próprio switch gerível permite longas distâncias de até 1000 metros. Os sensores são também abastecidos perfeitamente com corrente pela Power over Data Line (PoDL).

Equipa de consultores de SPE da Phoenix Contact: Tim Kindermann, Verena Neuhaus e Guadalupe Chalas

A oferta da nossa equipa de consultores de Single Pair Ethernet

A Phoenix Contact tem o conhecimento e o portfólio de produtos para utilizar Single Pair Ethernet em diferentes indústrias e setores. Descubra como os especialistas em SPE, Verena Neuhaus, Guadalupe Chalas e Tim Kindermann, trabalham conjuntamente para desenvolver soluções individuais para Single Pair Ethernet, a tecnologia chave da digitalização.

O seu parceiro-chave para a ligação em rede inteligente

A Phoenix Contact é o seu parceiro-chave para a integração da Single Pair Ethernet: da interface de dispositivos, passando pela cablagem, até aos componentes de rede ativos, desde sensores no campo até ao PC no escritório. Como pioneira na área da digitalização, a Phoenix Contact desenvolve um portfólio de produtos universal nesta área.

Logótipo da Single Pair Ethernet System Alliance, uma aliança de empresas tecnológicas líderes

A Single Pair Ethernet System Alliance

A Phoenix Contact associou-se a outras empresas líderes em tecnologia na SPE System Alliance. As empresas parceiras reúnem o seu know-how relativo à Single Pair Ethernet e trocam informações de forma objetiva. O objetivo comum é promover a tecnologia SPE para a Internet das Coisas Industrial (IIoT) e todas as outras áreas de aplicação.

Perguntas e dúvidas sobre a Single Pair Ethernet

Conectores M8 e IP20 para a Single Pair Ethernet
Topologia de uma automação de fábrica com Single Pair Ethernet
Normas SPE e respetivas características
Single Pair Ethernet utilizado num sistema incorporado
Infraestrutura de cabos para SPE
Conectores M8 e IP20 para a Single Pair Ethernet

A tecnologia Ethernet atualmente já disponível oferece uma velocidade de transmissão de até 10 GBit/s para a sua aplicação através de apenas um par de fios.

Topologia de uma automação de fábrica com Single Pair Ethernet

Com a infraestrutura SPE reduz a cablagem de dados, evita ruturas dos meios do campo para a cloud, bem como avarias do equipamento. Pode construir redes com uma estrutura contínua baseada na Ethernet, deixando de ser necessários os gateways. Além disso, a cablagem com SPE é mais simples e mais rápida, visto ser necessário ligar apenas dois fios. O padrão 10Base-T1L permite uma cablagem Ethernet de alcances até 1000 metros.

Normas SPE e respetivas características

As normas SPE estão definidas no IEEE 802.3. Atualmente existem cinco normas diferentes com diferentes taxas de transmissão e distâncias, as quais já se encontram aprovadas. Estão em debate outras normas.

Single Pair Ethernet utilizado num sistema incorporado

Sim, através da norma PoDL (Power over Data Line) é possível transmitir uma potência de até 50 W. As diferentes classes de potência encontram-se descritas na norma IEEE 802.3bu e IEEE 802.3cg.

Infraestrutura de cabos para SPE

É possível utilizar as infraestruturas de cabos existentes para a SPE quando estas cumprem os requisitos. Os cabos SPE são definidos na Norma IEC 61156-1x.

Outras novas tecnologias de comunicação Comunicação consistente até ao campo

Em vários organismos e projetos de normalização surgem atualmente novos padrões de comunicação, como OPC UA, TSN, SPE e 5G. No entanto, estas novas tecnologias não devem ser consideradas independentes umas das outras, mas sim como formando, juntas, a comunicação do futuro.
Na qualidade de líder tecnológico com mais de 30 anos de experiência na área da tecnologia de comunicação industrial, a Phoenix Contact está envolvida em todos os principais organismos de normalização. Aí, moldamos para si o novo padrão de comunicação para a automação, compatível com todos os fabricantes.

Saiba mais sobre os novos padrões nas nossas páginas.