Andy Schäfer氏、PCBコネクタ製品マネージャー、Phoenix Contact GmbH & Co. KG、ブロムベルク、ドイツ
図1：シングルペアイーサネットは、PCB用のSPE端子ブロックなど、デジタル化を成功させるための新しいソリューションを実現します。
シングルペアイーサネット（SPE）の特性は、最新の通信インフラに真の付加価値をもたらします。SPE分野における包括的な製品ラインナップにより、Phoenix Contact社は技術ソリューションと業界横断的な専門知識を提供しています。
従来のイーサネットソリューションでは、従来は2対または4対のワイヤが必要でしたが、SPEでは1対のワイヤで済み、データと電力を同時に伝送することができます。この技術によって実現される伝送速度は、最大伝送距離1,000 mで10 Mbpsから最大伝送距離40mで1Gbpsまでと、スマートな計測トランスデューサやカメラシステムとネットワーク化されたセンサ技術を多用する用途など、最も要求の厳しいタスクにも十分対応できるものです。シングルペアイーサネットは、データレート、通信距離、シームレスな通信の面で制約を受けていた多くの分野での使用に適しています。
従来のイーサネットソリューションの主な制限事項のひとつとして、例えば、ポイント・トゥ・ポイント接続では最大長がわずか100メートルであることが挙げられます。かつては、生産ラインやコンベアベルトなど、産業システムでより長い距離をカバーするには、リピータやスイッチを追加で設置する必要がありました。一方、SPEテクノロジーでは、1本のケーブルで最大1,000mの距離を10Mbpsの伝送速度で接続することができ、オプションとしてPoDL（Power over Data Line）テクノロジーの使用も可能です。つまり、最大10Mbpsのデータレートを持つSPEソリューションは、将来的に特定のフィールドバス技術に取って代わる可能性もあります。
SPEは、複雑なネットワークトポロジーの導入にも適しています。
10Mbpsから1Gbpsの伝送速度により、SPEではさまざまなアプリケーションを実現できます。拡張された性能フレームワークを備えたSPE規格は現在、IEEE802.3コンソーシアムで議論されています。これにより、短距離（15m未満）では10Gbps以上、500mまでの距離では100Mbpsというさらに高速なデータ転送速度も可能になります。これらの新しいSPE規格により、まったく新しい応用分野の開発が可能になるでしょう。
図2：SPE規格はIEEE 802.3で定義されています。この規格では、1対のワイヤによるイーサネットベースのデータ伝送の技術的枠組みが説明されています。
従来の産業用システムでは、イーサネットネットワークとフィールドレベルでの多数のフィールドバスシステムが使用されることが多かった。産業用モノのインターネット（IIoT）の出現と、フィールドバスをより効率的な通信システムに置き換える必要性により、これらの確立されたトポロジーは時代遅れとなった。センサおよび/またはネットワーク間のシームレスな通信を必要とするあらゆる分野のアプリケーションにおいても、同様の変化が観察されている。このようなアプリケーションでは、シームレスで安全なデータ接続が不可欠である。
平均的な工場でも、すでに1日あたり約1テラバイトのデータを生成しており、この傾向は増加する一方です。このデータを効果的に評価するには、継続的な通信が不可欠です。SPEは、センサからクラウドまで、一貫したネットワーク接続を保証します。また、産業用アプリケーションで使用されるセンサやインテリジェントなエンドデバイスの数が増加していることを踏まえ、SPEは理想的なケーブルソリューションを提供しています。それは、シンプルで安全、コンパクトで費用対効果の高いものです。インフラストラクチャを構築する際、SPEソリューションは、現在一般的であるバスとイーサネットのコンポーネントの組み合わせよりも、将来的にずっと安価になるでしょう。
SPEは、自律型および協調型ロボットが使用されるあらゆる場所で多くの利点を提供します。従来のフィールドバスシステムよりも高いデータ転送速度により、ロボットとコントローラはより高いサンプリングレートとデータ量で通信することが可能になります。これに加えて、データと電源を1本のケーブルで伝送できるため、配線が簡素化されます。将来的にPoDL規格を超える性能要件が求められるようになった場合にも対応できるよう、データと電源の端子を1つのコネクタにまとめたハイブリッドSPEソリューションも利用可能になります。ケーブルと接続の数が減ることで、疲労によるエラーが減り、トラブルシューティングが迅速化され、メンテナンスが容易になります。曲げ半径が小さいため、SPEによりロボットハンドリングシステムの設計を大幅に最適化することも可能です。
図3：ロボット部門では、SPEは性能と省スペースでポイントを獲得しています。
プロセスオートメーション、例えば石油・ガス産業では、巨大な建物やタンクが立ち並ぶ広大な敷地がよく見られます。多くの企業にとって、センサからクラウドやERPシステムまで一貫したデータフローで、すべてのグローバル拠点の完全なステータス概要と遠隔制御は不可欠です。SPEは、信号変調やゲートウェイの中間ネットワークデバイスを必要とせずに効率的なネットワーク構造を提供することができます。SPEと組み合わせたPoDL（Power over Data Line）は、これらのアプリケーションにおいても、データと電力の同時伝送という利点を提供します。
爆発防止エリア（ゾーン0、1、2）におけるデータおよび電力伝送に関する高い要件にも対応できるよう、SPEの標準規格とは別に、高度物理層（APL）が導入されています。このソリューションは、例えばプロセス産業で使用されています。ここでは、IEEE 802.3cgの10BASE-T1L規格がIEC TS 60079-47、2021-03（2-WISE）規格（2-WISE = 2線式本質安全イーサネット）と組み合わせて使用されています。つまり、爆発防止と本質的安全の方法が考慮されているということです。
この技術により、長距離（幹線長は最大1000m、支線長は最大200m）もカバーできます。さらに、異なるメーカーのデバイスやシステムの相互運用性も問題ありません。つまり、予測保全などの対策のために、大量の追加データを取得し、分析することが可能になります。
APLは、石油、ガス、化学などの産業に数多くの利点をもたらします。将来にわたって安全で効率的なネットワークを実現します。このテクノロジーは、既存のケーブルやイーサネット/IP™、HART-IP、OPC UA、PROFINETなどのイーサネットプロトコルを使用することで、既存のシステムを費用対効果の高い方法で近代化することもできます。
図4：プロセス産業の流量計は、既存の配線を使用してAPL技術によりネットワークに統合されています。
さらに、SPEのメリットは再生可能エネルギーの分野でも活用できます。これらのエネルギー源は変動に左右されやすく、電力網への供給やエネルギー自体の利用には、インテリジェントな管理が必要です。したがって、インテリジェントなデータ管理が非常に重要となります。風力タービン発電機であれ太陽光発電システムであれ、発電されたエネルギーは常に測定され、インテリジェントに電力網に供給されなければなりません。ここでは、特別な要件を満たす必要があります。例えば、最新の風力タービン発電機は、ナセルから地上までで100メートル以上の高さがあります。
この距離をカバーすることは、従来の銅線ベースのイーサネット接続では不可能です。そのため、オペレーターは依然としてガラス繊維やワイヤレスのソリューションに頼らざるを得ません。ソーラーパークや送電網/ガスシステムでも、100メートル以上の距離をカバーする必要があります。シングルペアイーサネットは、その長距離化により、この分野でも有利です。
シングルペアイーサネットの分野における標準化されたピンコネクタパターンに関する重要な決定が下されました。この決定により、長らく待たれていたトピックに明確性と確実性がもたらされます。これは、特にPROFINETが重要な役割を果たしているFA（ファクトリーオートメーション）の分野において、重要なマイルストーンと見なされています。制御盤内、フィールド内、ハイブリッド環境でのアプリケーションに適した統一ピンコネクタパターンにより、ユニバーサルなSPE標準への道筋となる接続要素が誕生しました。SPEコネクタシステムは現在、国際標準化が検討されています。この新世代は、産業の未来に向けた新たな一歩となります。
図5：Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO)ユーザー組織は、統一されたSPEピンコネクタのパターンを呼びかけています。
SPEは、その多様な機能により、産業用途だけでなく、その他の幅広い分野でもその能力を発揮することができます。センサなどのスマートなエンドデバイスを開発する際には、デバイスメーカーは接続技術についても考慮しなければなりません。しかし、どの接続技術を選択するかは、多くの場合、用途によって決まります。フィールドデバイスには、IP保護が必要となることがよくあります。このようなフィールドデバイスにIP保護コネクタを統合する可能性に加え、ケーブルグランドを使用して所望の保護等級を実現するオプションもあります。これは、SPEデータ伝送用にテストされ、適合しているプリント基板端子台をデバイス内部でも使用できることを意味します。これにより、さまざまな利点が生まれます。一方では、デバイスメーカーは、プリント基板上の小型SPE端子台の位置を必要に応じて正確に決定する自由があります。また、現場での設置作業も、おなじみのネジやプッシュイン接続技術により容易になります。技術者は、機器の設置場所によってさまざまな課題に直面します。 SPEケーブルの白と青のワイヤーは、色分けが明確であるため、アクセスが困難な環境や照明条件が最適でない環境でも、明確かつ直感的に配線でき、設置時のミスを回避できます。
図6：10Mbpsのデータ伝送に加え、SPE PCB端子台は、PoDL経由でフィールドデバイスへの電力供給も可能にします。
IP保護されたフィールドデバイスの設置に加え、SPE PCB端子台は、スペースの制約によりコネクターが特定の状況下でのみ使用されるようなビル技術などのIP20環境でもその強みを発揮します。その例としては、ディストリビューターボックスや埋め込み式ソケットでの用途が挙げられます。まさにこのような場所で、端子台は極めて省スペースな代替手段となります。SPE設置ケーブルを使用して、埋め込み式およびDINレール式のデバイスを直接接続し、ネットワークに統合することができます。
シングルペアイーサネットによるIPベースのネットワークが有用な追加機能や再構築ソリューションとなる分野は他にも数多くあります。原則として、長距離にわたって一貫したIPベースの通信を必要とし、スペースが限られているすべてのアプリケーションが該当します。Phoenix Contact社は、シングルペアイーサネットの可能性について、かなり早い時期から取り組みを開始し、現在ではその統合におけるエキスパートパートナーとなっています。このキーテクノロジーの可能性は非常に大きいものです。デジタル化の広範な分野において、エキスパートは、シングルペアイーサネットを幅広い分野で実現し統合するために必要な知識、適切なツール、そして個別のサービスを蓄積しており、将来の課題に対応しています。