اترنت تک زوج (SPE) می‌تواند پایانی برای RJ45 صنعتی باشد؟

اترنت تک زوج (SPE) می‌تواند پایانی برای RJ45 صنعتی باشد؟

• سازگار کردن فناوری‌های اینترنت اشیا با تنظیمات صنعتی همچون حس‌گرهای هوشمند به انرژی یا پهنای باند زیادی احتیاج ندارد، اما در مقابل به ارتباطات سریع و قابل اطمینان نیاز دارند. در برخی شرایط این ارتباطات باید لحظه‌ای و بلادرنگ باشند یا دست کم در یک محدوده زمانی مشخص نقل و انتقال حجم زیادی از داده‌ها را تضمين کنند. از تحولات دیگر در این زمینه می‌توان به گسترش پروتکل اترنت در بخش‌های عمومی همچون صنعت حمل و نقل (قطار، تراموا و هواپيما) اشاره کرد. زیرساخت ارتباطی این صنایع مبتنی بر اترنت است و از سیستم‌های نقل و انتقال قدیمی CAN سرنام Controller Area Network
• استفاده می‌کنند، اما قرار است این سامانه‌های قدیمی جای خود را به فناوری‌های جدیدی بدهند که نرخ انتقال داده‌های بیشتری را تضمین می‌کنند و به سامانه‌های کمک‌رسان پیشرفته (ADAS) اجازه دهند در زمان کوتاه‌تری به رخدادها واکنش نشان دهند. در این نوع پیاده‌سازی‌ها، کابل‌کشی اترنت SPE تنها با استفاده از یک زوج سیم مسی به هم تابیده شده نرخ انتقال داده‌های یکسان با کابل‌های CAN را فراهم می‌کند. نیاز کارخانجات مدرن همیشه در حال اتصال و سازگاری اترنت با این فناوری باعث شده تا اترنت از طریق یک زوج سیم به هم‌تابیده به یک کاندیدای شایسته برای آینده اتصالات صنعتی تبدیل شود.
• از آن‌جایی که SPE تنها از دو سیم استفاده می‌کند، کابل‌کشی آن ساده، ارزان، سبک و کم حجم است و به سادگی نصب می‌شود. هر چند همیشه یک توازنی بین طول کابل‌کشی و نرخ داده فراهم شده وجود دارد، اما صنعت خودروسازی از سرعت نقل و انتقال 1 گیگابیت در ثانیه استفاده می‌کند که بیشتر از مقدار مورد نیاز اغلب کاربردهای صنعتی است.
• اریک لیجنز مدیر اجرایی شرکت TE Connectivity می‌گوید: «توسعه اترنت طی 30 سال گذشته بیشتر روی برقراری ارتباط انسان‌ها با یکدیگر متمرکز بوده، اکنون وقت آن رسیده با اتکا بر فناوری SPE و برای اولین بار توسعه اترنت روی اتصال اشیا متمرکز شود. صرفه‌جویی در هزینه، نصب آسان، کابل‌کشی انعطاف‌پذیر تنها با دو سیم و پشتیبانی از مسافت‌های طولانی‌تر برای دسترسی به پهنای باند موردنیاز از جمله مزیت‌های واضح این فناوری است که یکپارچه‌سازی تمام دستگاه‌های درون یک شبکه هوشمند را چه از نظر اقتصادی و چه از لحاظ فنی امکان‌پذیر می‌کند.»
• سازگار شدن فناوری اترنت با نیاز صنایع امکان برقراری ارتباطات انتها به انتهای مبتنی بر پروتکل اینترنت (IP) را از ابر تا گره حس‌گر برای کاربردهای صنعتی یکپارچه فراهم کرده است. در بلند مدت می‌توان این پروتکل را جایگزین کرد یا حداقل برخی از پروتکل‌های Fieldbus را که اکنون در حال استفاده هستند بهینه‌سازی کرد. انتقال به یک پروتکل منطبق با استانداردها تعامل‌پذیری را تقویت می‌کند، به این معنا که دیگر زمانی برای ترجمه و تفسیر میان پروتکلی دستگاه‌های مختلف هدر نمی‌رود. همچنین اترنت تنظیمات پارامترهای دستگاه، پیکربندی اولیه و برنامه‌نویسی را نیز ساده می‌کند. لیجنز می‌گوید: « SPE در صنایع همجوار با کارخانه‌های هوشمند از قبیل صنعت حمل و نقل نیز طرفدار پیدا کرده است. موفقیت بزرگ در این صنایع باعث شده تا کارشناسان شبکه بر این باور باشند که دست‌کم برای چند دهه آینده این فناوری به شکل گسترده به کار گرفته خواد شد. به همین دلیل SPE برای بازارهای صنعتی یک فناوری جذاب محسوب می‌شود. با استفاده از این فناوری فرآیند خودکارسازی در پایین‌ترین لایه‌های ارتباطی انجام می‌شود. ما انتظار داریم اولین کاربرد گسترده فناوری SPE در تعامل با محاسبات لبه باشد.»
• کوین کنهام مدیر محصولات شرکت Harting معتقد است به‌کارگیری SPE در خودکارسازی صنایع امری اجتناب‌ناپذیر است. او می‌گوید: «توسعه این فناوری به صورت هدفمند انجام خواهد شد، بنابراین با توجه به نوع درخواست و نیاز صنایع مختلف می‌توان آن‌را به شکل بهینه و مطابق با الزامات صنایع آماده و پیاده‌سازی کرد (شکل زیر).»

مشخصات فناوری 

• امروزه از دو نوع اترنت تک زوج در صنعت ماشین‌‌های خودران استفاده می‌شود. در اتومبیل‌ها داده‌ها از طریق استاندارد 100Base-T1 روی کابل زوج بهم تابیده بدون محافظ (UTP) ارسال می‌شوند تا وزن (weight) پایین نگه داشته شود. محدوده تحت پوشش این استاندارد بر اساس ضوابط IEEE 802.3bw نزدیک به 15 متر است. برای سازگاری با وسایل نقلیه دارای  امواج الکترومغناطیسی شبیه به کامیون‌ها و اتوبوس‌ها از 1000Base-T1 همراه با کابل‌های زوج بهم‌تابیده محافظت‌شده (STP) استفاده می‌شود که طول اتصال را تا 40 متر افزایش می‌دهد.
• در مصارف صنعتی از یک گونه جدید 10Base-T1 (10 Mbits/s) استفاده خواهد شد. کارگروه IEEE 802.3cg مشغول کار روی دو نمونه دیگر است که مدل اول 10Base-T1S محدوده 15 متر را پوشش می‌دهد و 10Base-T1L تا 1000 متر را پشتیبانی می‌کند. T1L از فرستنده گیرنده 20 مگاهرتز استفاده می‌کند، در حالی که استاندارد T1S از 200 مگاهرتز استفاده می‌کند. هر دو استاندارد از ویژگی تامین انرژی از طریق خط داده (PoDL)  سرنام Power-Over-Data-Line پشتیبانی می‌کنند (تصاویر زیر). 

• همانند هر فناوری جدید دیگری سازمان‌ها به توسعه یک اکوسیستم لایه فیزیکی (PHY) جدید برای تراشه‌ها، کابل‌ها، کانکتورها و راهکارهای آزمایشی نیاز دارند. برای آن‌که مشکل ناسازگاری در طراحی و تولید تجهیزات برطرف شود و تولیدکنندگان تجهیزات شبکه بر مبنای یک استاندارد واحد محصولات خود را تولید کنند کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکال (IEC) تصمیم گرفت از دو طرح اتصال کانکتور نری و مادگی برای 10Base-T1 استفاده کند. نمونه اول مطابق با طرحی از CommScope است که برای مصارف خودکارسازی و تحت استاندارد IEC 63171-1 ساخته شده است. دومین طرح برای مصارف صنعتی و مطابق با الگوی ارائه شده توسط Harting آماده شده است. 

ظاهر استاندارد 

• ظاهر کانکتور نری و مادگی انتخاب شده برای مصارف صنعتی مطابق با طراحی Harting T1 است. لیجنز می‌گوید: «کانکتور صنعتی Harting T1 از لحاظ مفهومی‌ برای پهنای باند بالاتر و برای نرخ‌های داده 10 مگابیت در ثانیه تا Gigabit SPE در محیط‌های صنعتی یکپارچه طراحی شده است. به عبارت دیگر، کانکتور فوق می‌تواند با راهکارهای اتصال به ابر یا دستگاه‌های محاسبات لبه زیرساخت‌های لازم را برای کل اکوسیستم اینترنت اشیای صنعتی فراهم کند.»
• این کانکتورهای صنعتی جدید با کانکتورهای SPE خودروسازی تفاوت زیادی دارند. لیجنز می‌گوید: «اگر چه ظاهر کانکتور نری و مادگی شبیه به هم هستند، اما محصولات Harting به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا برای محیط‌های صنعتی استحکام و دوام بیشتری داشته باشد. این موضوع شامل یک سیستم قفل‌شونده فلزی است که از فولاد ضد‌زنگ ساخته شده است. در محیط‌های خودروسازی الزامات چندان سختگیرانه نیستند، به همین دلیل در این محیط‌ها بیشتر از قفل اصطکاکی یا چفت پلاستیکی استفاده می‌شود تا هزینه‌ها را کاهش دهد» (شکل 4).
• کانکتورهای نری و مادگی دو سوزنه Harting به شکلی طراحی شده‌اند که امکان به‌کارگیری آن‌ها در ارتباط با طیف وسیعی از کانکتورها در کلاس MICE فراهم شود (MICE به میزان مقاومت سطح در برابر ضربه/لرزش مکانیکی، استقامت در برابر وصل کردن و کندن، مقاومت شیمیایی و سازگاری با EMC اشاره دارد.). MICE سطح 1 هماهنگ با استاندارد IP20 است و برای محیط‌های اداری رایج مناسب است. MICE 2 بیشتر مناسب بخش‌های سخت و خشن با سطح حفاظتی مضاعف است. MICE 3 که بالاترین سطح است به کانکتورهایی با بالاترین درجه حفاظتی اشاره دارد که مناسب مصارف بیرونی و محیط‌های صنعتی خشن‌تر است. همچنین سیستم اتصال نری و مادگی SPE Harting را می‌توان به کانکتورهای مختلف دیگری از IP20 تا IP65/67 متصل کرد.

زنجيره تامین کانکتور 

• با وجودی که Harting در حال توسعه نمونه محصولاتی برای SPE صنعتی است، مالکیت معنوی طرح کانکتورهای نری و مادگی T1 به رایگان در اختیار سایر شرکت‌ها قرار گرفته تا بتوانند کانکتورهای اختصاصی خود را طراحی کنند. شرکت‌ها می‌توانند محصولات خود را مطابق با نوآوری و الزامات خاص خود متفاوت از طرح اصلی تولید کنند. در نتیجه مجموعه گوناگونی از محصولات پدید می‌آیند که پاسخ‌گوی نیازهای مختلف هستند.
• Harting در حال حاضر رسما همکاری خود با TE Connectivity و Hirose را آغاز کرده است. اریک لیجنز می‌گوید: «TE به مدت چهار سال است که با ارائه راهکارهایی در زمینه SPE فعالیت می‌کند. تا به امروز این شرکت محصولات متنوعی را برای کاربردهای مختلف ارائه کرده است. کانکتورهای SPE صنعتی TE سازگاری کامل با استاندارد IEC 63171-6 را تضمين می‌کنند، در نتیجه می‌توان زیرساخت‌های اینترنت اشیای صنعتی را توسط آن‌ها بدون مشکل پیاده‌سازی کرد. کانکتورهای SPE صنعتی مشابه با فناوری‌های TE هستند و همان سطح از عملکرد و قابلیت اطمینان را ارائه می‌کنند. آن‌ها بیشتر روی اتصالات دستگاه به دستگاه تمرکز خواهند کرد.»

آیا دوران اتصالات RJ45 به پایان رسیده است؟

• آیا ظهور اترنت تک زوج به این معنا است که دوران کانکتور صنعتی استاندارد RJ45 به انتها رسیده است؟ کانکتور 8P8C ویژه ارتباطات اترنت با قابلیت ضد‌آب، ضد گرد و غبار و ضد لرزش ساخته شده و می‌توان آن‌را برای مصارف گوناگون صنعتی به کار گرفت. کوین کنهام معتقد است که ما به زودی شاهد پایان دوران این کانکتور معروف خواهیم بود. او می‌گوید: «مزایای اصلی اترنت تک زوج در پایین‌ترین سطح هرم خودکارسازی تعریف می‌شود که شامل سهولت در نصب، اندازه کوچک و اتصالات با قابلیت اطمینان بالا حتا در بدترین محیط‌ها است. با این حال همچنان از RJ45 به ویژه در در سطوح بالاتر هرم اتوماسیون خودکارسازی استفاده می‌شود. در زمان جمع‌آوری داده‌ها، پهنای باند بیشتری مورد نیاز است، به ویژه وقتی این اتصالات مربوط به سیستم‌های برنامه‌ریزی و اجرای منابع سازمانی باشند. ممکن است سرانجام با RJ45 صنعتی خداحافظی کنیم، اما این رخداد مربوط به آینده است و نمی‌توان زمان دقیقی برای آن مشخص کرد.»
• شرکت‌ها همیشه تلاش می‌کنند از طرح‌های کوچک‌تر، مقرون به صرفه‌تر و سبک‌تر پشتیبانی کنند. کانکتور SPE در مقايسه با RJ45 این نوع از ویژگی‌ها را بهتر ارائه می‌کند. با وجود میلیاردها اتصال RJ45 که امروزه در سراسر جهان وجود دارد، این دوران جابجایی و انتقال ممکن است مدت زمان زیادی به طول بیانجامد یا بالعکس ممکن است به سرعت اتفاق افتد