Dos años de SPE System Alliance: Estándares y estrategias para el IIoT

Los buses de campo han demostrado su eficacia para la comunicación en aplicaciones de automatización desde finales de los años 90. Siguen siendo el sistema de bus más utilizado a nivel de sensores/actuadores en la industria de fabricación y procesos: fáciles de instalar, mantener y rentables. Sin embargo, ahora han alcanzado sus límites en la fábrica inteligente: no son adecuados para los requisitos del Internet Industrial de las Cosas (IIoT), es decir, una comunicación rápida y continua sin interfaces desde el sensor hasta la nube. Por tanto, según los expertos, Single Pair Ethernet (SPE) se establecerá en el nivel de sensores/actuadores como alimentador de las redes IP de alta velocidad. El impulso para el desarrollo provino de la industria del automóvil, donde se presentaron las primeras soluciones SPE en 2008. Sin embargo, la tecnología también ofrece grandes ventajas en la automatización de fábricas, la industria de procesos o la automatización de edificios. A diferencia de la Ethernet clásica, que requiere hasta ocho hilos debido a las mayores velocidades de transmisión de datos, la SPE sólo necesita un par de hilos. Sin embargo, en lugar de aumentar la velocidad de transmisión, se requieren largas tiradas de cable y miniaturización en el ámbito industrial. Y con 10 Mbit/s en una longitud de transmisión de hasta 1.000 m y hasta 1 Gbit/s en una longitud de transmisión de 40 m, el SPE es perfectamente adecuado incluso para la sofisticada tecnología de sensores.
Para establecer la SPE en los mercados, se fundó una alianza de intereses en Hannover Messe 2019, de la que surgió la Single Pair Ethernet System Alliance en abril de 2020. La asociación reúne actualmente a 33 empresas. La organización se ocupa de todo el ecosistema de la SPE y de las cuestiones abiertas que existen en este contexto. Esto incluye no sólo componentes físicos como cables, PHYs, conectores, sensores o interruptores, sino también topologías, proyectos de normalización, pruebas y casos de uso.

De la teoría a la práctica

Desde la fusión, las empresas asociadas han sido muy activas: en un primer paso, desempeñaron un papel importante en el desarrollo de las caras de acoplamiento normalizadas internacionalmente según la norma IEC 63171-2 para la clase de protección IP20 y la norma IEC 63171-5 para M8 y M12 (clase de protección IP67). Los conectores IP20 e IP65/67 tienen una cara de acoplamiento uniforme: un cable de conexión IP20 encaja en una conexión M8 o M12 sin necesidad de adaptador. "La cara de acoplamiento según la norma IEC 63171-2 es la más compacta de toda la serie de normas y, por tanto, satisface absolutamente la demanda de miniaturización", explica Verena Neuhaus, directora de marketing de productos de Phoenix Contact. "En comparación con el RJ45, es posible duplicar la densidad de puertos, lo que significa que se pueden realizar diseños de dispositivos mucho más compactos". Phoenix Contact ha desarrollado ahora también los correspondientes conectores de aparatos y cables para Ethernet de un par para la automatización de fábricas, la automatización de procesos y la automatización de edificios. Las interfaces estandarizadas según las normas IEC 63171-2 y IEC 63171-5 son ideales para entornos de oficina e industriales. La cartera incluye tanto cables de conexión premontados como conectores de dispositivos compactos para el proceso de soldadura por reflujo en varios diseños.

La cartera en el diseño M8 también incluye cables de conexión premontados con diferentes tipos de cables para diversas aplicaciones. El uso de componentes M8 estándar ofrece al fabricante de dispositivos la ventaja de un diseño sencillo y flexibilidad en el cableado. Las geometrías de las cajas y los pasamuros de los paneles existentes pueden adoptarse y equiparse con los nuevos insertos SPE. Los insertos están disponibles en versiones rectas y angulares y para diferentes métodos de soldadura (THR y SMD). Verana Neuhaus: "Además de los conectores SPE ya disponibles, Phoenix Contact está desarrollando nuevos componentes en los diseños M12 y M12 Hybrid. Presentaremos los primeros prototipos de los conectores SPE M12 en la SPS".

El SPE también ofrece ventajas en el campo de la automatización de edificios, como explica Matthias Gerber, director de mercado de cableado LAN en Reichle & De Massari AG (R&M): "El SPE es ideal para conectar a la red de datos una gran variedad de aplicaciones en la automatización de edificios". Especialmente en las denominadas zonas de cocción digital, entre la salida de servicio (SO) y las pequeñas aplicaciones de IoT, la SPE ofrece diversas y nuevas posibilidades. Gerber: "La norma ISO/IEC 11801-6 ya permite el uso de cableado específico para la aplicación después de la salida de servicio. Esto sienta las bases de una solución para la conexión en red de sensores de luz, temperatura, humo o aire o de controles para ventanas y persianas". Con SPE, la comunicación Ethernet/IP en la automatización de edificios y en el entorno industrial puede ampliarse hasta el nivel de los sensores-actuadores, sustituyendo una gran parte de las aplicaciones de bus de campo. Matthias Gerber: "De este modo, innumerables dispositivos finales pueden integrarse directamente en el Internet de las Cosas (IoT) sin costosas pasarelas y controlarse a través de un sistema de gestión de edificios digitalizado y basado en IP."

Para ello, R&M ha desarrollado un sistema de cableado completo basado en dos tipos de conectores SPE: LC-Cu (IEC63171-1) y MSP (IEC63171-2). R&M utiliza la conexión por desplazamiento del aislamiento (IDC) en ambos sistemas de conectores SPE. Operando con el protocolo 10BASE-T1L, el sistema de cableado R&M alcanza distancias de transmisión de hasta 600 metros. SPE: Transferencia de datos y energía El desarrollo de la Ethernet de par único se originó en la industria del automóvil. Thomas Keller, Director de Proyectos Médicos e Industriales de Rosenberger y miembro del Consejo de Administración de la Alianza: "Los vehículos actuales son microcosmos de conectividad en los que los dispositivos electrónicos se conectan a las redes del vehículo. Es la única manera de hacer realidad la conducción autónoma en el futuro". Por este motivo, la industria del automóvil lleva años utilizando las series de conectores MTD y H-MTD de Rosenberger. "En la automatización industrial ocurre algo parecido", dice Thomas Keller: "Las condiciones extremas, como los grandes rangos de temperatura que hay que cubrir, los golpes y las vibraciones, la protección IPx contra el polvo y la humedad, así como la miniaturización, desempeñan un papel importante en el diseño de la tecnología de conexión." Rosenberger apoya las futuras soluciones de automatización para aplicaciones de Ethernet Industrial con las series de conectores RoSPE-HMTD y RoSPE-Industrial (IEC 63171-2 y -5), que también se expondrán en la SPS.

Marcel Leonhard, director de las unidades de negocio ICT & DCF de Telegärtner Karl Gärtner GmbH también espera con ilusión la feria de Núremberg: "Después de presentarnos como Alianza por primera vez hace dos años en la feria SPS 2019 de Núremberg, ahora por fin tenemos la oportunidad en la SPS de este año de presentar al público en general lo que hemos conseguido entretanto." Desde el punto de vista técnico, Telegärtner, al igual que los demás socios de la Alianza, ha desarrollado conectores SPE para los rangos IP20 e IP67, que se presentarán en la SPS. Pero al mismo tiempo, como subraya Marcel Leonhard, la System Alliance también ha seguido desarrollando el sistema SPE en su conjunto: "Porque además de los conectores, los cables desempeñan naturalmente un papel igualmente importante en el sistema. Pero antes de conectar los cables y los conectores, especialmente con el SPE, hay que probar si ambos son compatibles y funcionan". Esto se debe a que el mercado ofrece una amplia gama de cables, desde el AWG 22/1 hasta el AWG 26/7, todos ellos conformes a la norma de cables SPE IEC 61156, pero que deben adaptarse a los conectores. Marcel Leonhard: "En la Alianza, los fabricantes de conectores y de cables han trabajado juntos, han puesto en común los productos adecuados y los han sometido a pruebas en círculo. Al fin y al cabo, nuestro objetivo como SPE System Alliance es hacer avanzar no sólo los productos individuales, sino el sistema completo". Además de la reducción de espacio y peso, la instalación de los componentes es otra ventaja. Marcel Leonhard: "Los conectores terminables en campo son especialmente adecuados si la longitud del recorrido del cable no puede definirse de antemano y hay que determinar la longitud del cable de forma flexible in situ. Asimismo, no sólo se pueden conectar los cables con conductor trenzado, sino también los cables con conductor sólido, y sin herramientas especiales".

Simon Seereiner, director de gestión de productos SAI e IE de Weidmüller, explica otra de las principales ventajas de la tecnología SPE: "Además de los datos, también se puede transmitir energía a través de los cables bifilares". Con la alimentación a través de la línea de datos (PoDL), se pueden alimentar hasta 60 W a una interfaz con transmisión simultánea de datos (100 Mbit). Seereiner: "Eso es suficiente para la mayoría de las aplicaciones de los sensores. Esto permite construir sistemas de sensores en la industria de forma rentable, sencilla y con una alta densidad de empaquetado, lo que conduce a grados crecientes de automatización y conexión en red y a la realización de procesos cada vez más automatizados". Con un claro enfoque en la industria, Weidmüller ha implementado conectores de la variante IEC 63171-2 para el entorno IP20 y la variante IEC 63171-5 para el entorno IP67. Centrándose en las secciones transversales de la gama AWG 26 a AWG 22, se han creado conectores especialmente fáciles de usar, que se realizan como cables de conexión, así como variantes libremente configurables, y que se presentarán en la SPS.

Con un paso de 7,62 mm, el conector compacto tiene sólo la mitad del tamaño de un conector RJ45, por lo que ahora se pueden conectar diez conectores SPE a dispositivos que antes tenían cinco conectores RJ45. El ahorro de espacio de los conectores es una gran ventaja, pero, según Simon Seereiner: "Una ventaja mucho mayor del SPE es que, gracias a la arquitectura transparente, las máquinas pueden controlarse y manejarse de forma mucho más eficiente. Esto ahorra enormes costes en la parametrización, en la puesta en marcha y en la ejecución de la obra. En una simulación que hicimos, pudimos reducir los costes de explotación en un 18% utilizando SPE". Así pues, la SPE System Alliance no defiende un sistema o producto de conexión específico, sino que sus actividades se dirigen a todo el futuro ecosistema de la SPE. El éxito del trabajo de la Alianza ha llevado a que el Consorcio de Ethernet de Par Único (SPEC) de la TIA y la Alianza de Sistemas de Ethernet de Par Único hayan unido recientemente sus fuerzas para educar conjuntamente al mercado mundial sobre las ventajas de la tecnología SPE.

Al mismo tiempo, la Alianza permite a las empresas participantes adquirir más rápidamente los conocimientos necesarios para implantar Single Pair Ethernet en los productos de forma más rápida y fiable. "Estos socios tienen la misión de llevar Ethernet de par único al mercado como una infraestructura de extremo a extremo", afirma Simon Seereiner, de Weidmüller. Y Verena Neuhaus, de Phoenix Contact, añade: "La Alianza SPE y sus miembros están impulsando la tecnología en su conjunto, y eso incluye mucho más que un conector".

Sobre Telegärtner:
Telegärtner, fundada en 1945, es un proveedor de gama completa que opera a nivel mundial para soluciones profesionales en tecnología de conexión y transmisión y es uno de los fabricantes más importantes. La empresa familiar, de gran tradición, ya está dirigida por la tercera generación. Con unos 660 empleados en todo el mundo, el grupo genera una facturación anual de hasta 100 millones de euros.

Pressekontakt
Thomas Keller
Mitglied des Vorstand Single Pair Ethernet System Alliance
eMail: thomas.keller@rosenberger.de
Tel: 0049-8684-18-1952