Industriële connectiviteit met Single Pair Ethernet

In een wereld die steeds meer afhankelijk is van draadloze communicatie, lijkt de bedrade wereld nogal passé. In het industriële IoT (IIoT) zijn draden echter nog steeds de norm. Er zijn verschillende redenen om bekabelde connectiviteit in de industriële omgeving te behouden, waaronder RF-interferentie, drukke radiobanden, licentievereisten en eenvoudig reactievermogen.

Van oudsher waren industriële toepassingen het doelwit van oudere veldbustechnologieën zoals Profibus, Modbus, CAN en andere. Deze technologieën zijn doorgaans gebaseerd op twisted pair-bedrading en hebben over het algemeen een prestatieniveau van 1 Mbps of minder. In de industriële wereld zijn kosten alles. Bedrading naar sensoren en actuatoren moet dus goedkoop en duurzaam zijn. Daarom is single twisted pair bedrading de norm.

Desalniettemin zien we de expansie van de vierde industriële revolutie, ook wel bekend als Industrie 4.0 (I4). I4 wordt gekenmerkt door het gebruik van grootschalige machine-to-machine (M2M) communicatie en de inzet van het Internet of Things (IoT) voor meer automatisering. Het doel van deze trend is de inzet van slimme apparaten die kunnen werken, gegevens kunnen analyseren en actie kunnen ondernemen zonder menselijke tussenkomst. De sleutel tot het succes van I4 is gebaseerd op connectiviteit en prestaties met een minimum aan tussentijdse vertalingen van de signalen die latentie kunnen veroorzaken. Bovendien draait het IoT-element vaak om het naadloos kunnen communiceren van gegevens van de sensor helemaal naar de cloud. In onze huidige wereld impliceert dit het gebruik van de IP-protocolstack.

Helaas laat geen van de traditionele veldbustechnologieën IP-frames door. Dit betekent dat er een vereiste is voor vertalersboxen die vertalen van Profibus- of CAN-frames naar IP en vice versa. Dit introduceert latentie en verhoogt de kosten. En aangezien de meeste van deze veldbustechnologieën relatief traag zijn in vergelijking met moderne communicatiemiddelen zoals Wi-Fi of 5G Cellular, is er een nieuwe aanpak nodig om de groeiende communicatie-eisen van I4 te ondersteunen.

Gebruikmaken van verbeteringen in de automobielsector

In de autowereld zien we een explosie in de hoeveelheid data die nodig is voor sensoren in Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Net als traditionele industriële toepassingen, hebben automobieltoepassingen vertrouwd op veldbustechnologieën zoals CAN voor communicatie tussen de elektronische regeleenheid (ECU) en sensoren/actuatoren zoals antiblokkeerremmen, emissiecontroles en andere. De snelheidslimieten van 1 Mbps voor CAN of zelfs de verbeterde gegevenssnelheden voor CAN-FD (tot 5 Mbps) zijn echter niet voldoende voor de meervoudige camerafeeds, radars en lidar van het moderne met ADAS uitgeruste voertuig. Wat automotive-toepassingen nodig hebben, is een betrouwbare, snelle netwerkmogelijkheid die de time-to-market voor nieuwe mogelijkheden verkort en tegelijkertijd het gewicht vermindert. Bovendien zou de mogelijkheid om IP in het voertuig te ondersteunen de softwareontwikkeling vergemakkelijken en de noodzaak voor protocolconverters minimaliseren.

Als we een pagina uit de wereld van de informatietechnologie nemen, zouden we zien dat Ethernet een zeer dominante technologie is, zelfs in het licht van draadloze protocollen. Ethernet is de backbone die gegarandeerde prestaties levert met datasnelheden tot 400 Gbps binnen de cloudinfrastructuur. Traditioneel Ethernet gebruikt echter meestal twee- of vierpaars bedrading of glasvezel. In vergelijking met de single-pair CAN-bus is traditionele Ethernet-bekabeling duurder, zwaarder (in het geval van twee- of vier-pair bedrading) of minder robuust (in het geval van glasvezel). Dus een single-pair Ethernet dat datasnelheden in het bereik van 1 Gbps aankan, zou ideaal zijn. Voer xBASE-T1 Single Pair Ethernet (SPE) in.

SPE standaardiseren

De IEEE 802.3-werkgroep is verantwoordelijk voor de standaarden die horen bij Ethernet. Oorspronkelijk gestandaardiseerd in 1983, heeft Ethernet in zijn vele vormen concurrerende technologieën, zoals ARCNET, FDDI en Token Ring, overschaduwd. Oorspronkelijk gebaseerd op coaxkabel, evolueerde Ethernet naar het gebruik van zowel afgeschermde als niet-afgeschermde twisted pair-bekabeling en tegen het begin van de jaren negentig werd de alomtegenwoordige RJ45 (8P8C)-connector een veelgebruikt onderdeel op veel computerapparatuur in de IT.

De oorspronkelijke 10BASE-T-implementatie vertrouwde op twee draadparen, waarbij één differentieel paar werd gebruikt voor zenden en één differentieel paar dat werd gebruikt voor ontvangst. Deze standaard, beperkt tot 10 Mbits/sec, was veel sneller dan de oorspronkelijke coax-gebaseerde benadering, maar gebruikte een ster in plaats van de bustopologie van de coax-oplossing. Deze star-wired benadering verplichtte het gebruik van een gecentraliseerde hub, bekend als een Ethernet-switch, die gegevensverplaatsing tussen apparaten die op de poorten van de switch waren aangesloten, aankon. Deze zelfde tweeparige kabeloplossing werd voortgezet met de introductie van Fast Ethernet, ook wel bekend als 100BASET, dat datasnelheden tot 100 Mbits/sec ondersteunt. Met de introductie van Gigabit Ethernet (1000BASE-T) verdubbelde het aantal draadparen tot vier en stegen de datasnelheden met een orde van grootte.

Naast veranderingen in de gegevenssnelheden, introduceerde een techniek die bekend staat als Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.at-2009) verschillende alternatieve middelen om stroom te leveren via dezelfde Ethernet-kabel als de gegevens. PoE ondersteunt de levering van maximaal 25,5 W bij 48 VDC, waardoor externe apparaten zoals bewakingscamera's en draadloze toegangspunten van stroom kunnen worden voorzien. Een latere versie staat bekend als Power over Data Lines (PoDL – IEEE 802.3bu-2016), waarmee tot 50 W kan worden geleverd bij 12, 24 of 48 VDC. PoDL is speciaal ontwikkeld voor de xBASE-T1 SPE-markt en zorgt ervoor dat zowel data als stroom via één draadpaar kunnen worden geleverd.

De xBASE-T1-standaarden kunnen verder worden onderverdeeld in 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) en 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp). De volgende tabel geeft een overzicht van de belangrijkste kenmerken van deze varianten:

De "L" in de 10BASE-T1L staat voor "long reach" vanwege de lengte van 1 km (veel implementaties kunnen zelfs meer dan 1 km bedragen, afhankelijk van de kabelkwaliteit en het type connector). Een van de vele voordelen van de SPE-specificatie is dat deze de bestaande single twisted pair veldbuskabels kan gebruiken. Dit is een enorme besparing voor industriële toepassingen. En met de toevoeging van PoDL kan het externe apparaat communicatie ondersteunen en via hetzelfde kabelsegment worden gevoed. Als bijkomend voordeel is de datasnelheid van 10 Mbit/sec aanzienlijk sneller dan de veldbusimplementaties die hij moet vervangen.

Terwijl de T1L-variant is gericht op point-to-point-toepassingen, is er ook een variant met "kort bereik" (10BASE-T1S) die is bedraad als een multi-drop-implementatie ter vervanging van gangbare veldbusversies zoals 20 mA stroomlus en CAN . Het bereik van de T1S-smaken is aanzienlijk ingekort tot 25 m. Maar het gebruik van multi-drop maakt een enkele kabel mogelijk met een enkele poortinterface voor de mediatoegang PHY.

Om de multi-drop-toegang te ondersteunen en mogelijke twist op de kabel te voorkomen, zijn er twee benaderingen. De eerste is het gebruik van Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) dat teruggrijpt op de oorspronkelijke Ethernet-implementaties uit de jaren tachtig. Bij deze benadering luistert elk station eerst naar verkeer op de bus alvorens te zenden. In het geval dat meerdere stations tegelijkertijd proberen te zenden, wordt de botsing gedetecteerd, stopt elk station met zenden, wacht een korte willekeurige hoeveelheid tijd, en dan wordt het proces herhaald door te luisteren naar een inactieve bus en opnieuw te proberen te verzenden. Dit is een eenvoudige benadering, maar het voegt een stochastisch element toe aan de communicatie, wat vertraging veroorzaakt.

Als de applicatie bijzonder latentiegevoelig is, kan een alternatief Physical Layer Collision Avoidance (PLCA)-mechanisme aan de CSMA/CD worden toegevoegd, waarbij één station wordt aangewezen als master, dat een baken uitzendt dat alleen het in het baken aangewezen station toestaat om verzenden (enigszins als een token ring-implementatie). Dit vergemakkelijkt de bepaling door voor elk station een aangewezen slot te verschaffen en de kans op botsingen te vermijden wanneer het aantal stations toeneemt tot het maximum van 31 stations. Opgemerkt moet worden dat PoDL nog niet is gedefinieerd voor gebruik in multi-drop-toepassingen.

Ethernet is Ethernet

Een van de belangrijke voordelen van SPE is dat het uiteindelijk Ethernet is. Dus wat protocolstacks betreft, is SPE net als elk ander Ethernet-segment. Dit betekent dat u eenvoudig IPv4/IPv6-protocollen kunt gebruiken bovenop de SPE-implementatie. Dit bespaart enorm veel tijd bij het ontwikkelen van software, omdat de softwareteams standaard op IP gebaseerde API's kunnen gebruiken voor communicatie. Er is geen vereiste voor protocolconversie van een van de veldbusvarianten naar IP en terug, waardoor de latentie wordt verminderd en de kosten van het protocolconversieapparaat worden geëlimineerd.

Automatische snelheidsdetectie in de SPE-switch is ook een mogelijkheid, net als de typische vierparige Ethernet-switch. Daarom kan één switch 10BASE-T1-, 100BASE-T1- en 1000 BASE-T1-segmenten aan en ondersteunt hij meer traditionele twee- of vierpaars Ethernet-interfaces voor het debuggen of interfacen met traditionele IT-hardware zoals panel-pc's. De switch kan indien nodig ook PoDL ondersteunen om externe apparaten van stroom te voorzien.

Om te voorkomen dat SPE en traditionele Ethernet-segmenten per ongeluk door elkaar worden gehaald, gebruikt SPE de IEC 63171-6-connector. Deze connector is een open standaard en is verkrijgbaar in zowel IP20 als IP65/67 uitvoering. Fabrikanten leveren de connector in standaard insteek-, push/pull- en schroefvormige paringsvlakken. Daarnaast zijn er opties voor zowel M8- als M12-connectoren in bestaande veldbusimplementaties.

De Outlook

SPE staat klaar om een ​​belangrijke rol te spelen in Industrie 4.0. Het SPE Industrial Partner Network bestaat al uit meer dan 30 fabrikanten die kabels, assemblages, PHY-silicium, Ethernet-switches en evaluatieapparatuur leveren. Met de mogelijkheid om betere prestaties te leveren, bestaande kabelinstallaties te gebruiken, stroom te leveren en softwarecompatibel te zijn met de traditionele IT-type Ethernet-implementaties, biedt SPE een relatief goedkoop upgradepad voor het vervangen van bedrade sensoren en actuatoren naarmate de bestaande systemen verouderen . Is SPE de toekomst van industriële automatisering en automotive? Het heeft zeker het potentieel.

Dit artikel is geschreven door Mike Anderson, Sr. Projectleider — Embedded Systems Architect, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Neem voor meer informatie contact op met de heer Anderson via michael.e.anderson@ aero.org of bezoek hier .