Zmogljive rešitve fizikalnih plasti Etherneta za časovno kritične komunikacije v zahtevnih industrijskih okoljih

Analog Devices, Inc.
Avtor: Maurice O’Brien
2020_287_22

Industrijski sistemi vse pogosteje uporabljajo Ethernet za zato, da rešijo ključne proizvajalčeve izzive Industrije 4.0 in pametne tovarniške komunikacijske izzive. Ti izzivi vključujejo integracijo podatkov, sinhronizacijo, robno povezljivost in interoperabilnost sistema. Tovarne, ki so povezane z Ethernetom, omogočajo večjo proizvodno produktivnost ter bolj prilagodljivo in razširljivo proizvodnjo, saj omogočajo povezljivost med omrežji informacijske tehnologije (IT) in operativne tehnologije (OT). To omogoča spremljanje in nadzor vseh področij tovarne v enem samem, mirnem, varnem in velikem pasovnem omrežju, ki podpira časovno kritične komunikacije.

Zakaj Ethernet v industrijskih aplikacijah?
Skalirano računalništvo in trdna komunikacijska infrastruktura sta kri priključene tovarne. Današnja omrežja se spopadajo s povečanjem prometnih obremenitev in izzivi interoperabilnosti v nešteto protokolih, ki za prevajanje prometa po tovarni potrebujejo zapletena prehodna vrata. Industrial Ethernet rešuje te težave v zvezi z interoperabilnostjo v enem samem omrežju tako, da na rob tovarne neopazno zagotavlja kritične determinirane zmogljivosti. V preteklosti je prišlo do pomanjkanja razpoložljivih fizičnih slojev Etherneta (PHY), zasnovanih posebej za robustna industrijska okolja. Razvijalci industrijske komunikacijske opreme so morali predolgo delati in kompromitirati standardne Ethernet PHY-je, razvite za potrošnike, razvite za množični trg. V dobi Industrije 4.0, kjer se število robnih vozlišč pospešuje in je odločilnost ključnega pomena za doseganje povezane tovarne, so izboljšani Industrial Ethernet sistemi industrijskega razreda ključnega pomena.

IT proti OT Ethernet povezljivosti
Ethernet se že dolgo uporablja kot komunikacijska izbira IT sveta, saj njegove prednosti vključujejo dobro podprte, razširljive, prilagodljive in komunikacijske rešitve z veliko pasovno širino. Ima tudi prednosti interoperabilnosti, ki so vključene v standard IEEE. Ključni izziv pri premostitvi IT in OT omrežij ter omogočanju brezhibne povezljivosti, ki temelji na Ethernet tehnologiji, je uporaba v zahtevnih industrijskih okoljih, kjer je potrebna časovno kritična povezljivost.

Uporaba Industrial Etherneta in izzivi uvajanja Etherneta
Povezana aplikacija za gibanje na osnovi Industrial Ethernet povezave za pametno tovarnoje prikazana na sliki 1. Multiaxis sinhronizacija in natančno krmiljenje gibanja sta ključnega pomena za kakovostno izdelavo in obdelavo v pametnih tovarnah. Vse večje zahteve glede prepustnosti proizvodnje in izhodne kakovosti povzročajo potrebo po hitrejših odzivnih časih in večji natančnosti servo motornih pogonov. Ta izboljšana zmogljivost sistema zahteva še strožjo sinhronizacijo servo motornih osi, ki se uporabljajo v končni opremi. Ethernet v realnem času se danes v sistemih za nadzor gibanja pogosto uporablja. Vendar pa sinhronizacija vključuje samo podatkovni promet med nadzorno in podrejenimi napravami v omrežju. Omrežja morajo omogočiti sinhronizacijo prek meje omrežja v aplikacijo od pod-1 μs vse do PWM izhodov znotraj krmilnika servo motorja. To izboljšuje natančno obdelavo in natančnost proizvodnje v aplikacijah z več osmi, kot so robotika in CNC stroji, ki temeljijo na gigabitnem Industrial Ethernet z večjo hitrostjo podatkov, z IEEE 802.1 časovno občutljivim omrežjem (TSN). To omogoča povezavo vseh naprav v eno omrežje z veliko pasovno širino s protokoli Industrial Ethernet v realnem času za povezavo med robom in oblakom.

V industrijskem okolju sta robustnost in visoke temperature okolja glavni izzivi za omrežne namestitve, ki nameščajo Ethernet. Dolge linije kablov obdajajo prehodni pojavi visokonapetostnih motorjev in proizvodne opreme, ki potencialno poškodujejo podatke in poškodujejo opremo. Za uspešno uporabo Industrial Ethernet, kot je prikazano na sliki 1, obstaja potreba po izboljšani Ethernet PHY tehnologiji, ki je robustna in majhna z nizko zakasnitvijo v majhnem ohišju, ki lahko deluje v okolju z veliko šuma in pri visoki temperaturi. Ta članek bo zdaj obravnaval izzive uvajanja Ethernet PHY rešitev v povezanih tovarnah.

Kaj je fizični sloj Industrial Ethernet?
Industrial Ethernet PHY je oddajna naprava fizične plasti za pošiljanje in prejemanje ethernetnih okvirjev, ki temelji na OSI omrežnem modelu. V OSI modelu Ethernet pokriva nivo 1 (fizični sloj) in del nivoja 2 (sloj podatkovne povezave) in je opredeljen s standardom IEEE 802.3. Fizični sloj določa vrste električnih signalov, hitrost signalizacije, medije in topologije omrežja. Izvaja del fizične plasti Ethernet standardov 1000BASE-T (1000 Mbps), 100BASE-TX (100 Mbps preko bakra) in 10BASE-T (10 Mb).

Sloj podatkovne povezave določa, kako se pojavijo komunikacije preko medija, pa tudi okvirno strukturo sporočil, ki se pošiljajo in prejemajo. To preprosto pomeni, kako biti izstopijo iz žice in se razporedijo tako, da se lahko podatki izvlečejo iz toka bitov. Za Ethernet se to imenuje nadzor dostopa do medijev (MAC), ki je integriran v gostiteljski procesor ali Ethernet stikalo. Glej fido5100 in fido5200 kot dva primera vgrajenih ADI-jevih vhodnih stikal z dvema portoma Industrial Ethernet za povezovanje plasti 2, ki podpira multiprotocol, povezovanje v realnem času v Industrial Ethernet.

Zahteve fizičnega sloja Ethernet za industrijsko uporabo
Disipacija energije in visoka temperatura okolice
Naprave, povezane z Ethernetom v industrijskih aplikacijah so pogosto nameščene v zaprtih IP66 / IP67 ohišjih. IP ocene se nanašajo na odpornost električne naprave na vodo, umazanijo, prah in pesek. Prva številka po IP je ocena, ki jo je IEC dodelila enoti za odpornost na trdne snovi. V tem primeru šest, kar pomeni, da v enota po osmih urah ne pride v neposreden stik s prahom ali umazanijo. Nato imamo oceno vodoodpornosti šest in sedem. Šest pomeni zaščito pred vodo, ki jo projecirajo v močnih curkih, sedem pa pomeni, da lahko napravo 30 minut potopimo v do en meter sveže vode.

S takšnimi vrstami zaprtih ohišij sta odvajanje energije in visoka temperatura okolice dva glavna izziva za Ethernet PHY naprave zaradi zmanjšane sposobnosti toplotne prevodnosti teh ohišij. Za namestitev Industrial Ethernet so potrebne Ethernet PHY naprave z visoko temperaturo okolice do 105 ° C in zelo nizko disipacijo energije.

Značilna Industrial Ethernet omrežja so nameščena v zaporednih in obročnih topologijah. Te topologije omrežja so zmanjšale dolžino ožičenja v primerjavi z zvezda topologijo in imajo redundančno pot v primeru obročnega omrežja. Vsaka naprava, povezana v zaporedno ali obročno omrežje, potrebuje dva Ethernet vhoda, da preneseta Ethernetne okvirje po omrežju. Porazdelitev Ethernet PHY moči v teh primerih postane bolj kritična, saj obstajata dva PHY-ja na priključeno napravo. Poraba energije Gigabit PHY ima velik vpliv na celotno disipacijo energije, PHY z nizko porabo energije pa omogoča večjo razpoložljivo moč za FPGA / procesor in Ethernet stikalo v napravi.

Poglejmo primer na sliki 2, kjer imamo napravo z 2,5 W disipacije moči. Vključuje FPGA, DDR pomnilnik in Ethernet stikalo, ki zahteva moč v višini 1,8 W. Tako ostane le 700 mW na voljo za odvajanje energije za dva PHY. Za izpolnitev toplotnih zahtev naprave je potreben Gb PHY z <350 mW disipacije moči. Danes je na voljo veliko PHY možnosti, ki ustrezajo temu cilju odvajanja energije.

EMC/ESD robustnost
V industrijskih omrežjih je mogoče, da se v zahtevnih tovarniških razmerah kabli razprostirajo 100 m ob visokih napetostnih prehodih zaradi šuma proizvodne opreme in možnih ESD dogodkov s strani inštalaterjev opreme in operaterjev. Robustna tehnologija fizične plasti za uspešno uvedbo Industrial Ethernet je zato bistvenega pomena.

Industrijska oprema običajno mora izpolnjevati naslednje EMC / ESD IEC in EN standarde:

• IEC 61000-4-5 prenapetost
• IEC 61000-4-4 hitri električni prehodni pojavi(EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 imunost na prevodnost
• EN 55032 sevane emisije
• EN 55032 emisije prevodnosti

Stroški, povezani s certificiranjem izdelkov na te standarde, so visoki, običajno pa je, da se predstavitev novih izdelkov zavleče, če je za izpolnitev katerega koli od teh standardov potreben dodaten razvoj. Z uporabo PHY naprav, ki so že preizkušene v skladu z IEC in EN standardi, je mogoče zmanjšati znatne stroške in tveganje za razvoj novih izdelkov.

Tabela 1: Zahteve potrošnikov v primerjavi z Industrial Ethernet PHY

Table 2: Lastnosti ADIN1200 in ADIN1300

Ethernet PHY latenca
Pri aplikacijah, ki zahtevajo komunikacijo v realnem času, kot je na sliki 1, kjer je natančen nadzor gibanja najpomembnejši, je PHY latenca pomembna specifikacija pri razvoju, saj predstavlja ključni del celotnega cikla Industrial Ethernet omrežja. Čas omrežnega cikla je čas komunikacije, ki ga upravljavec potrebuje za zbiranje in posodabljanje podatkov vseh naprav. Nižji čas omrežnega cikla omogoča večje zmogljivosti aplikacij v časovno kritičnih komunikacijah. PHY Ethernet z nizko latenco pomaga doseči minimalni čas omrežnega cikla in omogoča, da se v omrežje poveže več naprav.

Ker serijska in obročna omrežja potrebujejo dvoje Ethernet vrat za prenos podatkov iz ene naprave v drugo, ima Ethernet PHY latenca dvakrat večji učinek z dvema vhodoma na napravo (podatki v portu/ izhodnih vratih), glejte sliko 3. 25% zmanjšanje PHY latence v mreži 32 naprav (64 PHY-jev) pomeni, da je vpliv te zmanjšane latencije za Industrial Ethernet PHY pomemben, tako glede na števila vozlišč, ki jih je mogoče povezati, kot tudi zmogljivosti (čas cikla) tega Industrial Ethernet omrežja.

Tabela 3: ADIN1300 Robustni Industrial Ethernet Gb PHY EMC / ESD Testiranje robustnosti

Prilagodljivost hitrosti prenosa Ethernet PHY podatkov
Pomembno je tudi, da imate Industrial Ethernet PHY naprave, ki podpirajo različne hitrosti prenosa podatkov: 10 Mb, 100 Mb in 1 Gb. Za povezavo med PLC-ji in krmilniki gibanja je potrebna velika pasovna širina in gigabitna (1000BASE-T) TSN Ethernet povezava. Povezovanje na ravni polja temelji na Ethernet povezljivosti, ki poganja Industrial Ethernet protokole na 100 Mb (100BASE-TX) PHY-jih. Za povezovanje končnih vozlišč in naprav na robu je na voljo nov standard fizičnega sloja v skladu s standardom IEEE 802.3cg / 10BASE-T1L, ki bo omogočal Ethernet PHY tehnologijo z majhno močjo na parici s pasovno širino 10 Mb do razdalje 1 km in se lahko uporablja v svojih varnih aplikacijah pri nadzoru procesov. Glejte sliko 4 za Ethernet povezavo za procesno kontrolo in potrebo po razširljivih hitrostih Ethernet PHY podatkov od PLC do aktuatorjev končnih vozlišč in terenskih instrumentov.

Velikost rešitve
Ko se Ethernet tehnologija širi proti robu industrijskih omrežij, je velikost povezanih vozlišč manjša. Ethernet povezani senzorji / aktuatorji imajo lahko zelo kompaktna ohišja in zato zahtevajo PHY v majhnih ohišjih, razvitih za industrijske namene. LFCSP / QFN ohišja z 0,5 mm rastrom med priključki so dokazano robustna, ne zahtevajo dragih proizvodnih poti za TIV in imajo prednost izpostavljenega priključka pod ohišjem za odvajanje odvečne toplote pri visoki temperaturi okolice.

Dolgoživost izdelka
Dostopnost življenjske dobe izdelkov je zaskrbljujoča za proizvajalce industrijske opreme, saj njihova oprema na terenu pogosto ostaja aktivna več kot 15 let. To pomeni, da zastaranje izdelka lahko pomeni zelo drago in dolgotrajno preoblikovanje izdelkov. Industrial Ethernet PHY naprave morajo imeti dolgo življenjsko dobo izdelkov, česar pogosto ne podpirajo dobavitelji potrošnikov, široko potrošnega trga Ethernet PHY-ja.

Povzetek zahtev za Industrial Ethernet PHY za robustne Industrial Ethernet aplikacije
ADIN1300: Klasifikacija EMC / ESD funkcionalnosti:

• Razred A
  • Brez prekinitve povezave
  • Nič več kot dve zaporedni izgubi ali napačna paketa*
  • Sistem mora funkcionirati normalno brez napak in brez intervencije
• Razred B
  • Brez prekinitve povezave
  • Izgubljeni in napačni paketi so dovoljeni
  • Sistem mora funkcionirati normalno brez napak in brez intervencije
• Razred C
  • Povezava pade med testiranjem in/ali sistem zateva intervencijo uporabnika. Na primer, reset ali ponovni vklop napajanja z namenom obnovitve normalnega delovanja po stresnem testu

Upoštevajte, da funkcionalna programska oprema ne more ugotoviti, ali so paketi težav zaporedni.

Nova Industrial Ethernet PHY tehnologija
Analog Devices je pred kratkim izdal dva nova Industrial Ethernet PHY-ja, zasnovana za zanesljivo delovanje v zahtevnih industrijskih pogojih v širšem temperaturnem območju okolice do 105 ° C. Zavezanost analognih naprav industrijskemu končnemu trgu zagotavlja dolgo življenjsko dobo novih izdelkov, razvitih za industrijsko uporabo. Tu so naštete izboljšane funkcije PHY za ADIN1300 in ADIN1200, ki so bile razvite posebej za izzive, opisane v tem članku:

• Izboljšano odkrivanje izgube povezave, ki zazna izgubo povezave v <10 µs
• Zahteva za protokole Industrial Ethernet v realnem času (na primer,EtherCAT®)
• Začetek odkrivanja paketov za IEEE 1588 časovni žig
• Potrebno za natančno določanje časa preko omrežja
• Izboljšana zaščita pred ESD na MDI priključkih
• ESD robustnost na RJ-45 priključku
• PHY zagonski čas, <15 ms
• Čas od trenutka, ko je moč dobra do upravljalnega vmesnika / registrov, ki so na voljo
• Monitorji napajanja na čipu
• Izboljšana sistemska robustnost pri zagonu

Glejte Tabelo 2 za povzetek funkcij ADIN1200 in ADIN1300 lastnosti Industrial Ethernet PHY.

ADIN1300 ima najnižjo porabo v industriji, najnižjo latenco, najmanjše ohišje, 10 Mbps / 100 Mbps / 1000 Mbps Industrial Ethernet PHY, ki je bil temeljito preizkušen na EMC in ESD robustnost ter podpira obratovanje v razširjenem temperaturnem območju okolice do 105 ° C. ADIN1300 PHY je bil preizkušen v skladu z EMC / ESD standardi, kot je prikazano v Tabeli 3. Z uporabo Ethernet PHY tehnologije, ki je bila temeljito preizkušena v skladu z IEC in EN standardi, se lahko stroški in čas, povezani s testiranjem skladnosti izdelkov in certificiranjem, znatno zmanjšajo.

ADIN1200, robustni Industrial Ethernet PHY z nizko močjo, 10 Mbps / 100 Mbps, je bil temeljito preizkušen na EMC in ESD robustnost ter podpira delovanje v razširjenem območju temperature okolice do 105 ° C. ADIN1200 s fido5200 omogoča sistemsko rešitev za večprotokolno povezovanje Industrial Ethernet naprav v realnem času, ki podpirajo Profinet®, EtherNet / IP ™, EtherCAT, Modbus TCP in Powerlink za ugnezdeno povezljivost naprav z dvema portoma, kot je prikazano na sliki 5.

Podpora za Beckhoff EtherCAT in EtherCAT G Industrial Ethernet protokol
ADIN1200 PHY ustreza vsem zahtevam EtherCAT Industrial Ethernet protokola in je vključen v vodnik za izbiro EtherCAT PHY. ADIN1300 PHY ustreza vsem zahtevam EtherCAT G Industrial Ethernet protokola in je vključen v vodnik za izbiro EtherCAT G PHY. Za nadaljnje podrobnosti glejte Beckhoffovo navodilo o uporabi: Application Note—PHY Selection Guide.

Podpoda strankam
Razvojne plošče za stranke so na voljo za ADIN1300 in ADIN1200, skupaj s programskim GUI-jem za hiter razvoj. Oglejte si strani izdelkov ADIN1300 in ADIN1200 na analogni.com za video navodilo o uporabniških vmesnikih programske opreme razvojnih plošč. Slika 6 prikazuje razvojne plošče in GUI programsko opremo.

Povzetek
Da bi omogočili brezhibno povezljivost IT in OT omrežij ter odklenili vrednost Industrije 4.0, je izboljšana tehnologija fizičnega sloja, namenjena industrijski uporabi, ključna izbira oblikovanja. Robustna Industrial Ethernet PHY tehnologija, ki rešuje izzive porabe, latence, velikosti rešitve, temperature okolice do 105 ° C, robustnosti (EMC / ESD) in dolge življenjske dobe izdelka, je temelj povezane tovarne. Za reševanje izzivov, opisanih v tem članku, je Analog Devices nedavno izdal dva nova robustna Industrial Ethernet PHY izdelka, ADIN1300 (10 Mbps / 100 Mbps / 1000 Mbps) in ADIN1200 (10 Mbps / 100 Mbps / 1000 Mbps)

Za več informacij o ADI Chronous ™ portfelju rešitev Industrial Ethernet in kako pospešuje dejanska omrežja Industrial Ethernet, obiščite analog.com/Chronous.

O avtorju
Maurice O’Brien je strateški vodja trženja za industrijsko povezljivost pri Analog Devices. Odgovoren je za strategijo, ki podpira rešitve Industrial Ethernet povezovanja za industrijske aplikacije. Pred to vlogo je Maurice 15 let delal v aplikacijah in trženjskih vlogah pri močnostnem upravljanju z analognimi napravami. Ima B.Eng. diplomiral iz elektronskega inženirstva na Univerzi v Limericku, Irska. Lahko mu pišete na naslov: maurice.obrien@analog.com.

www.analog.com