Однопарный Ethernet сделает умнее здания и производства

Интеграция Инфраструктура

, Текст: Дмитрий Ганьжа

Информационные и операционные технологии по-прежнему сосуществуют на производстве и в умных зданиях параллельно, не в последнюю очередь из-за того, что опираются на разные сетевые технологии. Принятие новых стандартов на однопарный Ethernet позволит осуществить конвергенцию этих технологий и упростить эксплуатацию умных домов и промышленных объектов.

Умным зданиям и производству тоже нужен Ethernet

В системах контроля и управления зданиями, на производстве, используется множество простых устройств — датчики для детектирования света, тепла, движения, задымления, влажности и давления, механизмы для активации и контроля выключателей, запирающих устройств, сигнализации и т.п. Используемые элементы управления, датчики, системы и устройства собирательно называют «операционными технологиями» (Operational Technology, OT).

Для их подключения традиционно использовались различные коммуникационные протоколы и технологии полевой шины, такие, как Modbus для систем кондиционирования, BACnet для контроля доступа и LonWorks для освещения. Из-за фрагментации сети ранее требовалось использовать шлюзы для преобразования протоколов при создании единой системы автоматизации здания. Это усложняло реализацию сложных систем управления зданиями. Дополнительную нагрузку на службы эксплуатации накладывает наличие во всех современных зданиях и на всех современных производствах сетей, соединяющих ИТ-оборудование.

Хотя однопарный Ethernet — «тоже Ethernet», разъемы для него радикально отличаются от привычного RJ-45

ИТ-сети унифицированы, но использующийся в них протокол Ethernet для операционных технологий не подходил по разным причинам (историческим, технологическим и, в конце концов, он был слишком дорог для соединения датчиков).

Решением стали стандарты однопарного Ethernet (Single-Pair Ethernet, SPE), их применение устраняет многие из проблем, для решения которых разрабатывались специфические коммуникационные протоколы — передача на большие расстояния, обеспечение питания, поддержка нескольких отводов и т.п. Подключение конечных устройств с помощью Ethernet обеспечивает множество преимуществ, таких, как прямой доступ к контролируемым системам, простое обслуживание, совместимость различных систем.

Что дает SPE

«Продление» сети Ethernet до датчиков устраняет необходимость в дополнительных шлюзах и упрощает автоматизацию зданий благодаря использованию одного общего протокола.

Однопарные кабели дешевле и легче, что упрощает их прокладку, а быстрая и простая установка снижает трудозатраты. Облегчает этот процесс и поддержка PoDL.

Высокая пропускная способность по сравнению с существующими сетями полевых шин повышает гибкость при реализации дополнительных функций.

Кабель 10Base-T1L с дальностью передачи 1000 м. в ряде случаев способен заменить более дорогие оптические кабели.

Однопарный Ethernet позволяет подключить все устройства в общую локальную сеть здания. Традиционно за информационные и операционные технологии отвечают различные подразделения, однако расширение сферы использования Ethernet в конечном итоге приведет к конвергенции ИТ и ОТ, как это произошло с сетями передачи голоса и данных.

Стандарты на однопарный Ethernet

Первые два стандарта на однопарный Ethernet — IEEE 802.3bw (2015 г.) на 100 Мбит/с и IEEE Std 802.3bp (2016 г.) на 1 Гбит/с — были предназначены для применения в автомобилях. «Автомобильный» вариант SPE должен быть простым, быстрым и надежным, при этом возможно применение неэкранированных кабелей. Принятый в июне этого года стандарт на мультигигабитный однопарный Ethernet IEEE 802.3ch позволяет передавать данные со скоростью 2,5, 5 и 10 Гбит/с. Проводка в автомобиле имеет небольшую протяженность, поэтому поддерживаемые расстояния были ограничены 15 м и 40 м.

В промышленных средах и интеллектуальных зданиях подключаемые устройства могут располагаться на большом удалении. Требуемые же скорости для подключения устройств интернета вещей невелики, что позволяет увеличить дальность. Поэтому IEEE 802.3cg делает возможной передачу данных со скоростью 10 Мбит/с на расстояние до 1 км (10Base-T1L). Для таких применений как промышленные шкафы принят вариант стандарта с небольшой дальностью 15 м (10Base-T1S). Помимо этого, стандарт позволяет подключить до 8 устройств в одном «смешанном» сегменте с несколькими отводами (конфигурация multidrop) на расстоянии 25 м.

При этом надо учитывать, что сети, применяемые на производстве, должны быть в состоянии противостоять суровым условиям окружающей среды, в частности — удовлетворять требованиям электромагнитной совместимости. Поэтому там будут наиболее популярны экранированные кабели, с уровнями защиты вплоть до IP65/67.

В «умных» зданиях требования к «стойкости», как правило, не так велики, в соответствующих системах могут использоваться не такие защищенные кабели, как в промышленности, и экранированные, и неэкранированные.

Характеристики стандартов однопарного Ethernet

Протокол SPEГод принятияСтандартСкоростьМаксимальная дальность работы
IEEE 802,3bw2015100Base-T1100 Мбит/с15 м, неэкранированный
IEEE 802,3bp20161000Base-T11 Гбит/с40 м, экранированный
IEEE 802,3cg201910Baset-T1L10 Мбит/с1000 м, экранированный
IEEE 802,3cg201910Baset-T1S10 Мбит/с15 м, неэкранированный
IEEE 802,3ch20202,5GBase-T12,5 Гбит/с15 м, экранированный
IEEE 802,3ch20205GBase-T15 Гбит/с15 м, экранированный
IEEE 802,3ch202010GBase-T110 Гбит/с15 м, экранированный

Активное оборудование, кабели и питание «от пуделя»

Полный перевод сетевой инфраструктуры на Ethernet упростит и удешевит подключение конечных устройств и при этом обеспечит большее расстояние и большую мощность питания, чем полевые шины. Однако, активное оборудование 10Base-T1L пока еще только появляется. Включение проводки SPE в качестве признанной среды передачи данных для интеллектуальных сетей зданий и определение сценариев использования SPE в коммерческих зданиях в следующей редакции ANSI/TIA-862-B должно стимулировать выпуск коммутаторов и конечных устройств SPE.

Необходимые для поддержки SPE кабели и разъемы также пока не стандартизованы полностью. Требуемые характеристики кабеля и канала разрабатываются подкомитетом Ассоциации телекоммуникационной индустрии (Telecommunications Industry Association, TIA) TR-42.7. Соответствующий стандарт ANSI/TIA-568.5 находится на ранней стадии рассмотрения. Пока он определяет две конфигурации канала. Помимо канала протяженностью 1000 м (SP1-1000) предусматривается вариант с максимальной дальностью передачи 400 м с 5 соединениями (SP1-400).

В каналах SP1-1000 и SP1-400 могут использоваться как экранированные, так и неэкранированные кабели. Теоретически могут использоваться классические разъемы RJ-45, но их размеры слишком велики для подключения датчиков. Поэтому для SPE создано семейство новых типов разъемов для различных применений.

Стандартом ANSI/TIA-862-B для четырехпарной проводки в умных зданиях рекомендуется использование зонной проводки. Данная архитектура предусматривает использование соединительных точек, к которым подключаются розетки оборудования. Для однопарной проводки прорабатывается несколько дополнительных вариантов топологии, в том числе традиционная топология «звезда», но с линиями протяженностью свыше 100 м.

Однопарный Ethernet, как и 4-парный, предусматривает возможность передачи питания по тем же кабелям, по которым идет сигнал. Однако используемые стандарты также различаются. Передача питания по 4-парной проводке Ethernet определена в стандарте IEEE 802.3bt, который так и называется — «Питание по Ethernet» (Power over Ethernet, PoE). Передача питания по однопарной проводке специфицирована в IEEE 802.3bu «Питание по линиям передачи данных» (Power over Data Lines, PoDL, произносится как «пудл», схоже по звучанию с английским «пудель»).

IEEE 802.3bu предусматривает несколько классов питаемых устройств с мощностью от 0,5 до 50 Вт. Хотя технология подачи питания PoDL несовместима с существующим оборудованием PoE с 2 и 4 парами, она предоставляет те же преимущества, что и PoE, такие как централизованное управление питанием и резервное питание.

Сценарии применения SPE

TIA также разрабатывает три документа, где рассматривается реализация и сценарии использования SPE. Варианты внедрения, топология и архитектура описываются в дополнении к ANSI/TIA-568.0-E-1 к недавно принятому стандарту на типовую проводку. Оно также вводит новую терминологию, относящуюся к интеллектуальному зданию. Рекомендации относительно однопарной проводки должны быть включены в следующую редакцию стандарта ANSI/TIA-862 на системы для интеллектуальных зданий (ANSI/TIA-862-C). Кроме того, вскоре должна начаться работа над стандартом для промышленных применений ANSI/TIA-568.7.

В качестве примера рассмотрим применение однопарного Ethernet для подключения камер видеонаблюдения. Камеры устанавливаются по периметру здания и расстояние от них до видеорекордера может достигать 1 км. Для покрытия такого расстояния с помощью стандартного Ethernet придется использовать либо несколько повторителей, либо оптическую проводку. Благодаря современным эффективным кодекам H.264 и H.265 скорости передачи 10 Мбит/с оказывается достаточно для передачи видео даже при использовании сенсоров 4 мегапикселя с частотой кадров 30 fps.

Новые модели камер с поддержкой SPE будут также получать питание непосредственно от видеорекордера. Классов питания 14 и 15 (мощность от 50 до 58 Вт) хватает для питания видеокамер даже со встроенным подогревом. В качестве промежуточного решения, например, для подключения уже имеющихся камер без поддержки SPE можно использовать конвертеры из Ethernet в SPE.


СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "IT"