Одноэлементный Ethernet: надежная промышленная связь

В мире с возрастающей зависимостью от беспроводных коммуникаций, проводной мир кажется устаревшим. Однако в промышленном IoT (IIoT) провода все еще являются нормой. Существует несколько причин сохранения проводной связи в промышленной среде, включая RF-помехи, перегруженные радиочастотные полосы, лицензионные требования и простую отзывчивость.

Традиционно промышленные приложения были целью старых полевых шинных технологий, таких как Profibus, Modbus, CAN и других. Эти технологии обычно основаны на витой паре и, как правило, находятся на уровне производительности 1 Мбит/с или ниже. В промышленном мире стоимость — это всё. Поэтому прокладка проводов к датчикам и актуаторам должна быть недорогой и долговечной. Следовательно, однопарная витая пара — это норма.

Тем не менее, мы видим расширение четвертой промышленной революции, также известной как Индустрия 4.0 (I4). I4 характеризуется использованием крупномасштабных машино-машинных (M2M) коммуникаций и развертыванием Интернета вещей (IoT) для повышения автоматизации. Цель этого тренда — развертывание умных устройств, которые могут работать, анализировать данные и действовать без вмешательства человека. Ключ к успеху I4 основан на связности и производительности с минимальными промежуточными преобразованиями сигналов, которые могли бы вводить задержку. Кроме того, элемент IoT часто сосредоточен на возможности бесшовной передачи данных от датчика до облака. В нашем нынешнем мире это подразумевает использование протокольного стека IP.

К сожалению, ни одна из традиционных полевых шинных технологий обычно не передает IP-кадры. Это означает, что существует требование к трансляторным коробкам, которые переводят кадры Profibus или CAN в IP и обратно. Это вводит задержку и увеличивает стоимость. И поскольку большинство этих полевых шинных технологий относительно медленны по сравнению с современными коммуникациями, такими как Wi-Fi или 5G Cellular, нужен новый подход для поддержки растущих коммуникационных требований I4.

Использование автомобильных достижений

В автомобильном мире мы видим взрыв в количестве данных, необходимых для датчиков, используемых в системах помощи водителю (ADAS). Как и традиционные промышленные приложения, автомобильные приложения опирались на полевые шины, такие как CAN, для коммуникации между электронным блоком управления (ECU) и датчиками/актуаторами, такими как антиблокировочная система, системы контроля выхлопных газов и другие. Однако ограничение скорости 1 Мбит/с для CAN или даже улучшенные скорости передачи данных для CAN-FD (до 5 Мбит/с) недостаточны для множественных видеопотоков, радаров и лидаров современного автомобиля с ADAS. Автомобильные приложения нуждаются в надежной высокоскоростной сетевой способности, которая сокращает время выхода на рынок для новых возможностей и снижает вес. Кроме того, способность поддерживать IP внутри автомобиля облегчила бы разработку ПО и минимизировала потребность в конвертерах протоколов.

Если мы заглянем в мир информационных технологий, мы увидим, что Ethernet очень доминирует даже на фоне беспроводных протоколов. Ethernet — это магистраль, гарантирующая производительность на скоростях до 400 Гбит/с внутри облачной инфраструктуры. Однако традиционный Ethernet обычно использует двух- или четырехпарную проводку или волоконно-оптический кабель. По сравнению с однопарной CAN-шиной, традиционный кабель Ethernet дороже, тяжелее (в случае двух- или четырехпарной проводки) или менее надежен (в случае волоконно-оптического). Так, одноэлементный Ethernet, способный обрабатывать скорости передачи данных в диапазоне 1 Гбит/с, был бы идеален. Появляется xBASE-T1 Single Pair Ethernet (SPE).

Стандартизация SPE

Рабочая группа IEEE 802.3 отвечает за стандарты, связанные с Ethernet. Изначально стандартизированный в 1983 году, Ethernet во многих своих формах обогнал конкурирующие технологии, включая ARCNET, FDDI и Token Ring. Изначально основанный на коаксиальном кабеле, Ethernet эволюционировал к использованию как экранированных, так и неэкранированных витых пар, и к началу 1990-х годов вездесущий разъем RJ45 (8P8C) стал обычным атрибутом многих вычислительных устройств в IT.

Оригинальная реализация 10BASE-T опиралась на два проводных пара, причем одна дифференциальная пара использовалась для передачи, а другая — для приема. Ограниченная 10 Мбит/с, этот стандарт был намного быстрее оригинального коаксиального подхода, но использовал звездообразную топологию вместо шины коаксиального решения. Этот звездообразный подход требовал использования централизованного хаба, известного как Ethernet-коммутатор, который мог обрабатывать перемещение данных между устройствами, подключенными к портам коммутатора. То же решение с двухпарным кабелем продолжилось с введением Fast Ethernet, также известного как 100BASE-T, поддерживающего скорости передачи данных до 100 Мбит/с. С введением Gigabit Ethernet (1000BASE-T) количество проводных пар удвоилось до четырех, а скорости передачи данных выросли на порядок.

Помимо изменений в скоростях передачи данных, техника, известная как Power over Ethernet (PoE — IEEE 802.3at-2009), ввела несколько альтернативных способов доставки питания по тому же кабелю Ethernet, что и данные. Поддерживая доставку до 25,5 Вт при 48 В постоянного тока, PoE позволял 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), позволяющая доставку до 50 Вт при 12, 24 или 48 В постоянного тока. PoDL была разработана специально для рынка xBASE-T1 SPE и позволяет передавать и данные, и питание через одну проводную пару.

Стандарты xBASE-T1 можно далее 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 «long reach» (большая дальность) благодаря своей длине 1 км (многие реализации на самом деле могут превышать 1 км в зависимости от качества кабеля и типов разъемов). Одним из многих преимуществ спецификации SPE является то, что она может использовать существующие кабельные трассы однопарных полевых шин. Это огромная экономия для промышленных приложений. И с добавлением PoDL удаленное устройство может поддерживать коммуникацию и питаться по тому же кабельному сегменту. Как дополнительное преимущество, скорость передачи данных 10 Мбит/с значительно выше, чем у полевых шинных реализаций, которые она призвана заменить.

В то время как вариант T1L нацелен на точечно-точечные приложения, существует также вариант «short reach» (короткая дальность) (10BASE-T1S), который подключается как мультидроп-реализация для замены распространенных версий полевых шин, таких как токовый цикл 20 мА и CAN. Дальность T1S значительно сокращена до 25 м. Но использование мультидропа позволяет иметь одну кабельную трассу с одним портовым интерфейсом для физического уровня доступа PHY.

Для поддержки мультидроп-доступа и избежания потенциального конфликта на кабеле существуют два подхода. Первый — использование Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD), который возвращается к оригинальным реализациям Ethernet 1980-х годов. В этом подходе каждая станция сначала слушает трафик на шине перед передачей. В случае, если несколько станций пытаются передать одновременно, коллизия обнаруживается, каждая станция прекращает передачу, ждет короткое случайное время, а затем процесс повторяется со слушанием свободной шины и попыткой передачи снова. Это простой подход, но он добавляет стохастический элемент в коммуникации, что введет задержку.

Если приложение особенно чувствительно к задержкам, альтернативный механизм Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) может быть добавлен к CSMA/CD, где одна станция назначается мастером, которая посылает маяк, позволяющий передавать только станции, обозначенной в маяке (нечто вроде реализации токен-роль). Это обеспечивает детерминизм, предоставляя выделенный слот для каждой станции и избегая потенциальных коллизий по мере увеличения числа станций до максимума 31 станции. Следует отметить, что PoDL пока не определен для использования в мультидроп-приложениях.

Ethernet — это Ethernet

Одним из значительных преимуществ SPE является то, что в конечном счете это Ethernet. Поэтому, насколько касается протокольных стеков, SPE ничем не отличается от любого другого Ethernet-сегмента. Это означает, что вы можете легко использовать протоколы IPv4/IPv6 поверх реализации SPE. Это огромная экономия времени разработки ПО, так как команды разработчиков могут использовать стандартные IP-ориентированные API для коммуникации. Нет необходимости в конвертации протокола из одного из вариантов полевых шин в IP и обратно, тем самым снижая задержку и устраняя стоимость устройства-конвертера протокола.

Автоопределение скорости в коммутаторе SPE также возможно, как и в типичном четырехпарном Ethernet-коммутаторе. Следовательно, один коммутатор может обрабатывать сегменты 10BASE-T1, 100BASE-T1 и 1000BASE-T1, а также поддерживать более традиционные двух- или четырехпарные Ethernet-интерфейсы для отладки или взаимодействия с традиционным IT-оборудованием, таким как панельные ПК. Коммутатор также может поддерживать PoDL для питания удаленных устройств при необходимости.

Чтобы избежать случайного смешивания SPE и традиционных Ethernet-сегментов, SPE использует разъем IEC 63171-6. Этот разъем является открытым стандартом и доступен в версиях IP20 и IP65/67. Производители предоставляют разъем в стандартном вставном, push/pull и винтовом типах стыковки. Кроме того, существуют варианты для разъемов M8 и M12, встречающихся в существующих полевых шинных реализациях.

Перспективы

SPE готова сыграть значительную роль в Индустрии 4.0. Промышленная партнерская сеть SPE уже состоит из более чем 30 производителей, предоставляющих кабели, сборки, PHY-кремний, Ethernet-коммутаторы и оценочные устройства. Благодаря способности обеспечивать более высокую производительность, использовать существующие кабельные системы, обеспечивать питание и быть программно совместимой с традиционными IT-типовыми Ethernet-реализациями, SPE предоставляет относительно недорогой путь обновления для замены проводных датчиков и актуаторов по мере устаревания существующих систем. Является ли SPE будущим промышленной автоматизации и автомобильной промышленности? У него определенно есть потенциал.

Статью написал Майк Андерсон, старший руководитель проекта — архитектор встроенных систем, The Aerospace Corporation (Эль-Сегундо, штат Калифорния). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Андерсоном по адресу michael.e.anderson@aero.org или посетите сайт .