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Interface
O que é SPE – Single Pair Ethernet e quais suas aplicações? O cabeamento estruturado muda de alguma forma com a adoção desse padrão?
SPE é a abreviatura para aplicações Ethernet que utilizam um único par balanceado (trançado) para operar. Portanto,
trata-se de um padrão que estabelece métodos para a comunicação entre dispositivos baseados em protocolos de camada física Ethernet, normalmente algum tipo de CSMA (carrier sense multiple access). O IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers é responsável pela padronização nesse setor e há padrões já aprovados para SPE e outros em desenvolvimento. De forma geral, os padrões SPE estabelecem a transmissão Ethernet em velocidades entre 10 Mbit/s e 10 Gbit/s (tabela I).
Antes de entrarmos em detalhes sobre o SPE, é importante entender que isso não tem nada a ver com cabeamento estruturado, que continua sendo
um cabeamento distribuído baseado em uma hierarquia bem definida e meios físicos padronizados (cabos de cobre e fibras ópticas). No caso de cabos de cobre, somente cabos
balanceados de quatro pares são reconhecidos e todos os seus quatro pares devem, necessariamente, ser terminados em ambos os extremos do canal de transmissão, termo aqui utilizado em seu sentido mais amplo e sem relação com o modelo de canal, conforme definido em normas, para a certificação do cabeamento instalado.
Voltando ao SPE, ele se apresenta, tecnicamente, em forma de emendas ao padrão IEEE 802.3 (Ethernet) e especifica inclusões e certas modificações para adicionar especificações de camada física (PHY) para diferentes velocidades de transmissão e parâmetros de gerenciamento para operação e provisão de
alimentação em corrente contínua para equipamentos terminais utilizando um único par de condutores balanceados. Há uma vasta literatura disponível, inclusive alguns documentos sem custos aos interessados, no IEEE SA – Standards Association sobre os diversos padrões aprovados, rejeitados e em desenvolvimento. Seguem algumas referências: • IEEE 802.3bw-2015 - IEEE Standard for Ethernet –Ammendement 1: Physical layer specifications and management parameters for 100 Mbit/s operation over a single balanced twisted pair cable (100Base-T1). • IEEE 802.3bp-2016 - IEEE Standard for Ethernet –Ammendement 4: Physical layer specifications and management parameters for 1 Gbit/s operation over a single twisted pair copper.
Fig. 1 – Conexão ponto-a-ponto para SPE
Fig. 2 – Exemplo de conexão MD (multidrop)
Esta seção se propõe a analisar tópicos de cabeamento estruturado, incluindo normas, produtos, aspectos de projeto e execução. Os leitores podem enviar suas dúvidas para Redação de RTI, e-mail: inforti@arandanet.com.br.
Fig. 3 - Interface Ethernet para cabos balanceados de quatro pares
Fig. 4 – Interface Ethernet baseada em um único par balanceado
• IEEE 802.3cg-2019 - IEEE Standard for Ethernet –Ammendement 5: Physical layer specifications and management parameters for 10 Mbit/s
operation and associated power delivery over a single balanced pair conductors. • IEEE 802.3ch-2020 - IEEE Standard for Ethernet –Ammendement 8: Physical layers specifications and management parameters for 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s e 10 Gbit/s automotive electrical Ethernet.
Entre as várias aplicações potenciais para o padrão SPE, os setores automotivo e industrial se mostram os mais promissores. Até então, as aplicações Ethernet necessitavam de dois pares para Fast Ethernet (100 Mbit/s) e quatro para Gigabit Ethernet
(1000 Mbit/s). Além disso, na visão do SPE Industrial Partner Network, associação de empresas que promove a tecnologia SPE como a base para o crescimento da “Indústria 4.0”, o SPE inaugura uma fase de novos desenvolvimentos e aplicações para Ethernet industrial e IIoT – Internet das Coisas Industrial. A tabela I apresenta um resumo dos padrões IEEE para SPE e suas principais características.
Estuturas de rede
Tab. I – Padrões SPE e suas características
Padrão Velocidade de Distância máxima Modo de Tipo de cabo transmissão de transmissão (m) transmissão
IEEE 802.3cg 10 Mbit/s 1000 Full duplex U/UTP e F/UTP (10Base-T1L)
IEEE 802.3bw 100 Mbit/s 50 Full duplex U/UTP e F/UTP (100Base-T1)
IEEE 802.3bp 1000 Mbit/s 15 Full duplex U/UTP e F/UTP (1000Base-T1)
IEEE 802.3ch 2,5/5/10 Gbit/s 15 Full duplex U/UTP e F/UTP (MultiGigBase-T1)
Para a transmissão de dados a velocidades entre 10 Mbit/s e 10 Gbit/s, uma conexão ponto a ponto (PtoP - point to point) é normalmente utilizada. Todos esses protocolos podem ser combinados com PoDL - Power over Data Line para soluções de alimentação remota dos dispositivos terminais. O padrão IEEE 802.3cg também define a camada física (PHY) do 10Base-T1S com duas implementações possíveis: • ponto-a-ponto em um canal com pelo menos 15 m de comprimento; e • um canal que combina comunicação ponto-multiponto, denominada multidrop (MD).
A figura 1 apresenta um esquema de conexão ponto a ponto. Já a figura 2 mostra um canal combinado multidrop (MD). O esquema apresentado na figura 2 é mais ou menos uma topologia de barramento convencional (note que a instalação de terminadores
para o casamento de impedâncias do canal é necessária) com pelo menos 25 m de alcance e oito nós. Vale salientar que o padrão 10Base-T1S não suporta a entrega de alimentação elétrica em corrente contínua ao equipamento terminal (PoDL).
Automação e controle
Para exemplificar uma aplicação de SPE, vamos examinar seus benefícios no ambiente de automação industrial. Entretanto, vamos iniciar por meio de uma rápida comparação entre a Ethernet industrial e a “convencional”.
A Ethernet industrial já é um padrão reconhecido pela indústria. No entanto, a principal diferença entre uma interface Ethernet convencional e a industrial é seu protocolo de camada física. Na interface convencional, o CSMA-CD (carrier sense multiple access with collision detection) é utilizado e atende bem às necessidades dos usuários de redes corporativas. No entanto, devido ao seu caráter estatístico, o CSMA-CD não é adequado a aplicações industriais, que precisam de uma interface determinística, ou seja, a informação transportada na rede deve estar disponível (para o equipamento ou dispositivo de rede) em um momento específico e não se admite a ocorrência de uma colisão. Por esse motivo, o protocolo de camada física padronizado para a Ethernet industrial é o CSMA-CA (carrier sense multiple access with collision avoidance).
A Ethernet industrial limitada a um canal com 100 m de comprimento, implementada em topologia estrela em cabeamento estruturado e com cabos balanceados de quatro pares, acaba encontrando algumas limitações no chão de fábrica. A figura 3 mostra um esquema de interface Ethernet com base em cabos balaceados de quatro pares.
Em resumo, a Ethernet convencional acaba sendo pouco interessante devido a sua complexidade, relativo alto custo de implementação e alcance limitado. Uma interface mais simples baseada em um único par balanceado com longo alcance e taxas de transmissão variadas (tabela I), conforme esquematizado na figura 4, atende às necessidades dos ambientes industriais e contribui para a implementação da indústria 4.0.
Ainda, devido a muitos sensores e dispositivos remotos envolvidos em sistemas de automação industrial necessitarem de alimentação elétrica, a
capacidade PoDL do SPE, apta a prover tensão em corrente contínua em 12 V, 24 V, etc. com capacidade de carga de 50 W para o equipamento terminal ou dispositivo do sistema de automação, vem ao encontro dos interesses e necessidades do ambiente industrial.
O PoDL - Power over Data Line para o padrão SPE é o equivalente ao PoE - Power over Ethernet para a Ethernet convencional, também padronizado pelo IEEE. É importante salientar que o PoE é a denominação informal (não padronizada) para nos referirmos à entrega de alimentação elétrica ao equipamento ativo de rede por meio do mesmo cabo de transmissão de sinais (dados digitais).
Para finalizar, o SPE permite a transmissão de níveis mais altos de energia elétrica, porém cabos com condutores de bitolas maiores (em área da seção transversal), em relação aos de pares trançados comumente utilizados em aplicações Ethernet, são necessários para atingir as longas distâncias do padrão (SPE) sem quedas excessivas de tensão por perdas resistivas ao longo da linha. O IEEE 802.3cg traz essas especificações.
Ethernet industrial e o SPE
Pode parecer que o padrão SPE é equivalente à Ethernet industrial, porém são coisas diferentes. A Ethernet industrial necessita de elevada confiabilidade, altas taxas de transmissão e equipamentos e infraestrutura de cabeamento capazes de operar em ambientes severos, envolvendo altas temperaturas, umidade, ruídos (interferência eletromagnética), vibrações, classificações IP - Industrial Protection, etc.
O padrão SPE, embora com o requisito de ser robusto para uso no ambiente industrial, tem como objetivo estabelecer links de comunicação com atuadores, sensores e outros dispositivos similares, mais ou menos complexos. Portanto, o SPE não concorre com a Ethernet industrial e pode ser utilizado em conjunto com ela.
