Промышленное соединение с однопарным Ethernet

В мире с растущей зависимостью от беспроводной связи проводной мир кажется довольно устаревшим. Однако в промышленном IoT (IIoT) провода по-прежнему являются нормой. Есть несколько причин для поддержания проводного подключения в промышленных условиях, включая радиочастотные помехи, перегруженные радиодиапазоны, требования лицензирования и простоту реагирования.

Традиционно промышленные приложения были нацелены на более старые технологии полевых шин, такие как Profibus, Modbus, CAN и другие. Эти технологии обычно основаны на витой паре и, как правило, имеют уровень производительности 1 Мбит/с или меньше. В индустриальном мире стоимость решает все. Таким образом, проводка к датчикам и исполнительным механизмам должна быть недорогой и долговечной. Следовательно, одинарная витая пара является нормой.

Тем не менее, мы наблюдаем распространение четвертой промышленной революции, также известной как Индустрия 4.0 (I4). I4 характеризуется использованием крупномасштабных межмашинных (M2M) коммуникаций и развертыванием Интернета вещей (IoT) для повышения автоматизации. Целью этой тенденции является развертывание интеллектуальных устройств, которые могут работать, анализировать данные и выполнять действия без вмешательства человека. Ключ к успеху I4 основан на подключении и производительности с минимумом промежуточных трансляций сигналов, которые могут привести к задержке. Кроме того, элемент IoT часто сосредоточен на возможности беспрепятственно передавать данные от датчика на всем пути к облаку. В нашем современном мире это подразумевает использование стека протоколов IP.

К сожалению, ни одна из традиционных технологий полевых шин обычно не передает кадры IP. Это означает, что необходимы трансляторы, которые преобразуют кадры Profibus или CAN в IP и наоборот. Это приводит к задержке и увеличивает стоимость. И, поскольку большинство этих технологий полевых шин относительно медленны по сравнению с современными средствами связи, такими как Wi-Fi или сотовая связь 5G, необходим новый подход для поддержки растущих требований к связи I4.

Использование автомобильных достижений

В автомобильном мире мы наблюдаем взрывной рост количества данных, необходимых для датчиков, используемых в усовершенствованных системах помощи водителю (ADAS). Как и традиционные промышленные приложения, автомобильные приложения полагаются на технологии полевых шин, такие как CAN, для связи между электронным блоком управления (ECU) и датчиками/приводами, такими как антиблокировочная система тормозов, контроль выбросов и другие. Тем не менее, ограничение скорости 1 Мбит/с для CAN или даже повышенная скорость передачи данных для CAN-FD (до 5 Мбит/с) недостаточны для подачи нескольких камер, радаров и лидара современного автомобиля, оснащенного ADAS. Что нужно автомобильным приложениям, так это надежные, высокоскоростные сетевые возможности, которые сокращают время выхода на рынок новых возможностей при одновременном снижении веса. Кроме того, возможность поддержки IP в автомобиле упростит разработку программного обеспечения и сведет к минимуму потребность в конвертерах протоколов.

Если мы возьмем страницу из мира информационных технологий, мы увидим, что Ethernet является доминирующей технологией даже в свете беспроводных протоколов. Ethernet — это магистраль, обеспечивающая гарантированную производительность при скорости передачи данных до 400 Гбит/с в облачной инфраструктуре. Однако традиционный Ethernet обычно использует двух- или четырехпарную проводку или оптоволокно. По сравнению с однопарной шиной CAN традиционные кабели Ethernet дороже, тяжелее (в случае двух- или четырехпарной проводки) или менее надежны (в случае оптоволокна). Таким образом, однопарный Ethernet, способный поддерживать скорость передачи данных в диапазоне 1 Гбит/с, был бы идеальным. Введите однопарный Ethernet (SPE) xBASE-T1.

Стандартизация SPE

Рабочая группа IEEE 802.3 отвечает за стандарты, связанные с Ethernet. Первоначально стандартизированный в 1983 году, Ethernet во многих его формах затмил конкурирующие технологии, включая ARCNET, FDDI и Token Ring. Первоначально основанный на коаксиальном кабеле, Ethernet превратился в использование как экранированной, так и неэкранированной витой пары, а к началу 1990-х вездесущий разъем RJ45 (8P8C) стал обычным приспособлением для многих вычислительных устройств в ИТ.

Первоначальная реализация 10BASE-T основывалась на двух парах проводов, одна дифференциальная пара использовалась для передачи, а другая — для приема. Этот стандарт, ограниченный 10 Мбит/с, был намного быстрее, чем первоначальный подход на основе коаксиального кабеля, но использовал топологию звезды, а не шинную топологию коаксиального решения. Этот звездообразный подход требовал использования централизованного концентратора, известного как Ethernet-коммутатор, который мог обрабатывать перемещение данных между устройствами, подключенными к портам коммутатора. Это же двухпарное кабельное решение было продолжено введением Fast Ethernet, также известного как 100BASET, который поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с. С появлением Gigabit Ethernet (1000BASE-T) количество проводных пар удвоилось до четырех, а скорость передачи данных увеличилась на порядок.

В дополнение к изменениям скорости передачи данных метод, известный как Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.at-2009), представил несколько альтернативных способов подачи питания по тому же кабелю Ethernet, что и данные. Поддерживая подачу до 25,5 Вт при 48 В постоянного тока, PoE позволяет питать удаленные устройства, такие как камеры наблюдения и точки беспроводного доступа. Более поздняя версия известна как Power over Data Lines (PoDL — IEEE 802.3bu-2016), которая позволяет передавать до 50 Вт при 12, 24 или 48 В постоянного тока. PoDL был разработан специально для рынка xBASE-T1 SPE и позволяет передавать данные и питание по одной паре проводов.

Стандарты xBASE-T1 можно разделить на 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) и 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp). В следующей таблице приведены основные характеристики этих вариантов:

«L» в 10BASE-T1L означает «длинный радиус действия» из-за его длины 1 км (многие реализации могут фактически превышать 1 км в зависимости от качества кабеля и типов разъемов). Одно из многих преимуществ спецификации SPE заключается в том, что она может использовать существующую кабельную трассу fieldbus с одной витой парой. Это огромная экономия для промышленного применения. А с добавлением PoDL удаленное устройство может поддерживать связь и получать питание по тому же сегменту кабеля. Дополнительным преимуществом является то, что скорость передачи данных 10 Мбит/с значительно выше, чем у реализаций полевой шины, которые она призвана заменить.

В то время как вариант T1L предназначен для двухточечных приложений, существует также вариант «короткого радиуса действия» (10BASE-T1S), который подключается как многоабонентская реализация для замены обычных версий полевых шин, таких как токовая петля 20 мА и CAN. . Досягаемость ароматизаторов T1S значительно сокращена до 25 м. Но использование многоточечной связи позволяет использовать один кабель с одним интерфейсом порта для доступа к среде PHY.

Для поддержки многоабонентского доступа и избежания потенциальных конфликтов на кабеле существует два подхода. Во-первых, используется метод множественного доступа/обнаружения коллизий с контролем несущей (CSMA/CD), который восходит к первоначальным реализациям Ethernet 1980-х годов. При таком подходе каждая станция сначала прослушивает трафик на шине перед передачей. В случае, если несколько станций пытаются передать одновременно, обнаруживается коллизия, каждая станция прекращает передачу, ждет короткий случайный промежуток времени, а затем процесс повторяется с прослушиванием незанятой шины и повторной попыткой передачи. Это простой подход, но он добавляет к коммуникациям элемент стохастики, что приводит к задержке.

Если приложение особенно чувствительно к задержке, в CSMA/CD можно добавить альтернативный механизм предотвращения коллизий на физическом уровне (PLCA), где одна станция назначается ведущей, которая отправляет сигнал маяка, который позволяет только станции, указанной в маяке, передать (что-то вроде реализации Token Ring). Это облегчает детерминированность, предоставляя назначенный интервал для каждой станции и избегая возможности коллизий по мере увеличения количества станций до максимума в 31 станцию. Следует отметить, что PoDL еще не определен для использования в многоточечных приложениях.

Ethernet есть Ethernet

Одним из существенных преимуществ SPE является то, что в конечном счете это Ethernet. Итак, что касается стеков протоколов, SPE ничем не отличается от любого другого сегмента Ethernet. Это означает, что вы можете легко использовать протоколы IPv4/IPv6 поверх реализации SPE. Это значительно экономит время при разработке программного обеспечения, поскольку разработчики программного обеспечения могут использовать стандартные API-интерфейсы на основе IP для связи. Преобразование протокола из одного из вариантов полевой шины в IP и обратно не требуется, что снижает задержку и устраняет затраты на устройство преобразователя протокола.

Автоматическое определение скорости в коммутаторе SPE также возможно, как и в типичном коммутаторе Ethernet с четырьмя парами. Таким образом, один коммутатор может обрабатывать сегменты 10BASE-T1, 100BASE-T1 и 1000 BASE-T1, а также поддерживать более традиционные двух- или четырехпарные интерфейсы Ethernet для отладки или взаимодействия с традиционным ИТ-оборудованием, таким как панельные ПК. Коммутатор также может поддерживать PoDL для питания удаленных устройств, если это необходимо.

Во избежание непреднамеренного перепутывания сегментов SPE и традиционных сегментов Ethernet, SPE использует разъем IEC 63171-6. Этот разъем является открытым стандартом и доступен в версиях IP20 и IP65/67. Производители предлагают разъемы со стандартными вставными, нажимными и винтовыми контактными поверхностями. Кроме того, существуют варианты разъемов M8 и M12, которые можно найти в существующих реализациях полевых шин.

Перспективы

SPE готова сыграть важную роль в Индустрии 4.0. Сеть промышленных партнеров SPE уже состоит из более чем 30 производителей, которые поставляют кабели, сборки, микросхемы PHY, Ethernet-коммутаторы и оценочные устройства. Обладая способностью обеспечивать более высокую производительность, использовать существующие кабельные системы, обеспечивать питание и быть программно совместимым с традиционными реализациями Ethernet ИТ-типа, SPE обеспечивает относительно недорогой способ обновления для замены проводных датчиков и исполнительных механизмов по мере устаревания существующих систем. . Является ли SPE будущим промышленной автоматизации и автомобилестроения? У него определенно есть потенциал.

Эта статья написана Майком Андерсоном, старшим руководителем проекта — архитектором встраиваемых систем, The Aerospace Corporation (Эль-Сегундо, Калифорния). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Андерсоном по адресу [email protected] или посетите здесь .