Single-Pair Ethernet: Betrouwbare industriële connectiviteit

In een wereld met toenemende afhankelijkheid van draadloze communicatie, lijkt de bedrade wereld rather passé. Echter, in de industriële IoT (IIoT) zijn draden nog steeds de norm. Er zijn verschillende redenen om bedrade connectiviteit in de industriële setting te handhaven, waaronder RF-interferentie, overvolle radiobanden, licentievereisten, en eenvoudige responsiviteit.

Traditioneel zijn industriële toepassingen de doelgroep geweest van oudere fieldbus-technologieën zoals Profibus, Modbus, CAN, en anderen. Deze technologieën zijn typisch gebaseerd op twisted-pair bedrading en zijn doorgaans op het 1 Mbps of lager prestatieniveau. In de industriële wereld is kosten alles. Dus bedrading naar sensoren en actuatoren moet goedkoop en langlevend zijn. Enkele twisted-pair bedrading is de norm.

Toch zien we de expansie van de vierde industriële revolutie, anders bekend als Industrie 4.0 (I4). I4 wordt gekenmerkt door het gebruik van grootschalige machine-to-machine (M2M) communicatie en de implementatie van het Internet of Things (IoT) voor verhoogde automatisering. Het doel van deze trend is de implementatie van slimme apparaten die kunnen opereren, data analyseren, en actie ondernemen zonder menselijke interventie. De sleutel tot het succes van I4 is gebaseerd op connectiviteit en prestaties met een minimum aan intermediaire vertalingen van signalen die latentie kunnen introduceren. Bovendien centreert het IoT-element zich vaak op het naadloos kunnen communiceren van data van de sensor tot de cloud. In onze huidige wereld impliceert dit het gebruik van de IP-protocolstack.

Helaas passeren geen van de traditionele fieldbus-technologieën typisch IP-frames. Dit betekent dat er een vereiste is voor vertaler-boxen die vertalen van Profibus of CAN frames naar IP en viceversa. Dit introduceert latentie en verhoogt kosten. En aangezien de meeste van deze fieldbus-technologieën relatief langzaam zijn in vergelijking met moderne communicatie zoals Wi-Fi of 5G Cellular, is een nieuwe benadering nodig om de groeiende communicatievereisten van I4 te ondersteunen.

Automotive vooruitgang benutten

In de automobiele wereld 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 automobiele toepassingen vertrouwd op fieldbus-technologieën zoals CAN voor communicatie tussen de Electronic Control Unit (ECU) en sensoren/actuatoren zoals antiblokkeersystemen, emissiecontroles, en anderen. Echter, de 1-Mbps limiet voor CAN of zelfs de verbeterde data rates voor CAN-FD (tot 5 Mbps) zijn niet voldoende voor de meerdere camerafeeds, radars en lidar van het moderne ADAS-uitgeruste voertuig. Wat automobiele toepassingen nodig hebben is een betrouwbare, hoge-snelheid netwerkcapaciteit die time-to-market voor nieuwe mogelijkheden verkort terwijl gewicht wordt verminderd. Bovendien zou de mogelijkheid om IP binnen het voertuig te ondersteunen softwareontwikkeling vergemakkelijken en de behoefte aan protocolconverters minimaliseren.

Als we een bladzijde uit de informatietechnologie wereld nemen, zouden we zien dat Ethernet heel dominant is zelfs in het licht van draadloze protocollen. Ethernet is de ruggengraat die gegarandeerde prestaties levert bij data rates tot 400 Gbps binnen de cloud-infrastructuur. Echter, traditioneel Ethernet gebruikt typisch twee- of vier-pair bedrading of glasvezel. Vergeleken met de single-pair CAN-bus, is traditionele Ethernet-kabeling duurder, zwaarder (in het geval van twee- of vier-pair bedrading), of minder robuust (in het geval van glasvezel). Een single-pair Ethernet die data rates in het 1-Gbps bereik kan aan, zou ideaal zijn. Kom op: xBASE-T1 Single Pair Ethernet (SPE).

Standaardisatie van SPE

De IEEE 802.3 werkgroep is verantwoordelijk voor de standaarden geassocieerd met Ethernet. Oorspronkelijk gestandaardiseerd in 1983, heeft Ethernet in zijn vele vormen concurrerende technologieën waaronder ARCNET, FDDI en Token Ring overstegen. Oorspronkelijk gebaseerd op coaxiale kabel, evolueerde Ethernet naar het gebruik van zowel afgeschermde als onafgeschermde twisted-pair kabeling en begin jaren 90 werd de alomtegenwoordige RJ45 (8P8C) connector een veelvoorkomend onderdeel op veel computeraapparaten in IT.

De oorspronkelijke 10BASE-T implementatie vertrouwde op twee draadparen met één differentieel paar voor transmit en één voor receive. Beperkt tot 10 Mbits/sec, was deze standaard veel sneller dan de oorspronkelijke coax-gebaseerde benadering, maar gebruikte een ster-topologie in plaats van de bus-topologie van de coax-oplossing. Deze ster-gebedrade benadering vereiste het gebruik van een gecentraliseerde hub, bekend als een Ethernet-switch, die data-verkeer tussen apparaten aangesloten op de poorten van de switch kon afhandelen. Dezelfde twee-pair kabeloplossing werd voortgezet met de introductie van Fast Ethernet, anders bekend als 100BASE-T, die data rates tot 100 Mbits/sec ondersteunt. Met de introductie van Gigabit Ethernet (1000BASE-T), verdubbelde het aantal draadparen tot vier en stegen data rates met een orde van grootte.

Naast veranderingen in data rates, introduceerde een techniek bekend als Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.3at-2009) verschillende alternatieve manieren om stroom op dezelfde Ethernet-kabel als de data te leveren. Met ondersteuning voor levering van tot 25,5 W bij 48 VDC, maakte PoE het mogelijk om externe apparaten zoals surveilancecamera's en draadloze toegangspunten te voeden. Een latere versie is bekend als Power over Data Lines (PoDL – IEEE 802.3bu-2016), wat levering van tot 50 W bij 12, 24 of 48 VDC toelaat. PoDL is specifiek ontwikkeld voor de xBASE-T1 SPE-mark en stelt zowel data als stroom toe te leveren via een enkele draadpaar.

De xBASE-T1 standaarden kunnen verder worden opgesplitst in 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw), en 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp). De volgende tabel vat de primaire kenmerken van deze varianten samen:

De "L" in 10BASE-T1L staat voor "long reach" vanwege zijn 1 km lengte (veel implementaties kunnen eigenlijk 1 km overschrijden afhankelijk van kabelkwaliteit en connectortypes). Een van de veelvoorkomende voordelen van de SPE-specificatie is dat het de bestaande single twisted-pair fieldbus-kabelruns kan gebruiken. Dit is een enorme besparing voor industriële toepassingen. En, met de toevoeging van PoDL, kan het externe apparaat communicatie ondersteunen en gevoed worden over hetzelfde kabelssegment. Als extra voordeel is de 10 Mbit/sec data rate significant sneller dan de fieldbus-implementaties die het vervangt.

Waar de T1L-variant gericht is op point-to-point toepassingen, is er ook een "short reach" variant (10BASE-T1S) die als multi-drop implementatie bedraden is om veelvoorkomende fieldbus-versies te vervangen zoals 20 mA stroomlus en CAN. De bereik van de T1L-smaak is significant verkort tot 25 m. Maar het gebruik van multi-drop toelaat een enkele kabelrun met een enkele poortinterface voor de media access PHY.

Om de multi-drop toegang te ondersteunen en potentiële contentie op de kabel te vermijden, zijn er twee benaderingen. De eerste is het gebruik van Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) dat teruggaat naar de oorspronkelijke Ethernet-implementaties uit de jaren 80. In deze benadering luistert elk station eerst naar verkeer op de bus voordat het transmiteert. In het geval dat meerdere stations proberen tegelijkertijd te transmitteren, wordt de botsing gedetecteerd, elk station stopt met transmitteren, wacht een korte willekeurige hoeveelheid tijd, en het proces herhaalt zich met luisteren naar een idle bus en opnieuw proberen te transmitteren. Dit is een eenvoudige benadering, maar het voegt een stochastisch element toe aan de communicatie, wat latentie introduceert.

Als de toepassing specifiek latentie-gevoelig is, kan een alternatief Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) mechanisme worden toegevoegd aan CSMA/CD, waarbij één station wordt aangewezen als master, dat een beacon uitzendt die alleen het station dat in de beacon is aangewezen toestaat te transmitteren (iets zoals een token-ring implementatie). Dit faciliteert determinisme door een toegewezen slot voor elk station te bieden en de potentiële botsingen te vermijden naarmate het aantal stations toeneemt tot het maximum van 31 stations. Het moet worden opgemerkt dat PoDL nog niet gedefinieerd is voor gebruik in multi-drop toepassingen.

Ethernet is Ethernet

Een van de significante voordelen van SPE is dat in de eindanalyse het Ethernet is. Dus, voor zover protocolstacks betreft, is SPE net als elk ander Ethernet-segment. Dit betekent dat u eenvoudig IPv4/IPv6 protocollen op de SPE-implementatie kunt gebruiken. Dit is een enorme softwareontwikkelingstijdbesparing, aangezien softwareteams standaard IP-gebaseerde API's voor communicatie kunnen gebruiken. Er is geen vereiste voor protocolconversie van een van de fieldbus-varianten naar IP en terug, wat latentie vermindert en de kosten van het protocolconverter-apparaat elimineert.

Auto-snelheidsdetectie in de SPE-switch is ook een mogelijkheid, net als de typische vier-pair Ethernet-switch. Daarom kan één switch 10BASE-T1, 100BASE-T1, en 1000BASE-T1 segmenten aan alsook meer traditionele twee- of vier-pair Ethernet-interfaces voor debugging of interfacing met traditionele IT-hardware zoals panel PC's. De switch kan ook PoDL ondersteunen om externe apparaten te voeden indien nodig.

Om per ongeluk het mengen van SPE en traditionele Ethernet-segmenten te vermijden, gebruikt SPE de IEC 63171-6 connector. Deze connector is een open standaard en beschikbaar in zowel IP20 als IP65/67 versies. Fabrikanten leveren de connector in standaard insertering, push/pull, en schroef-type mating faces. Daarnaast zijn er opties voor zowel M8 als M12 connectors die in bestaande fieldbus-implementaties gevonden worden.

Uitzicht

SPE is klaar om een significante rol te spelen in Industrie 4.0. Het SPE Industrial Partner Network bestaat al uit meer dan 30 fabrikanten die kabels, assemblies, PHY silicon, Ethernet switches en evaluatieapparaten leveren. Met de mogelijkheid om betere prestaties te leveren, bestaande kabelinstallaties te benutten, stroom te leveren, en softwarecompatibel te zijn met traditionele IT-type Ethernet-implementaties, biedt SPE een relatief goedkope upgrade-pad 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. Project Leader — Embedded Systems Architect, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Voor meer informatie, contacteer meneer Anderson op michael.e.anderson@aero.org of bezoek .