In de hedendaagse industriële omgeving zijn complexe automatiseringsarchitecturen en een grote verscheidenheid aan productietechnologieën gangbaar in industriële systemen, allemaal verbonden via industriële netwerken. Een stabiele netwerkverbinding is van cruciaal belang voor de normale werking van industriële systemen.
In tegenstelling tot de inzet van Ethernet in commerciële of consumentenomgevingen, brengen industriële Ethernet-omgevingen extra fysieke en elektromagnetische uitdagingen met zich mee. Industriële-Ethernet PHY's stellen extreem strenge eisen op het gebied van temperatuurtolerantie, spanningspieken, latentievereisten en netwerksnelheid.
De impact van latentie op industriële automatisering
In industriële Ethernet-systemen zijn er veel bronnen van vertraging. Sommige vertragingen worden veroorzaakt door fysieke verbindingen, meestal bedrading en PCB-verbindingen. Gegevens ervaren ook vertragingen wanneer ze door de PHY, MAC, switches en andere componenten in de netwerkverbinding gaan. Vertraging is ook een belangrijke referentie-indicator bij het selecteren van een PHY.
Netwerkarchitectuur voor industriële automatisering, TI
Hoewel de IEEE 802.3-serie standaarden zich blijft ontwikkelen, is er geen expliciete specificatie voor de tijd die een datapakket nodig heeft om de PHY te doorkruisen. Latentie kan echter rechtstreeks van invloed zijn op real-time fabrieksautomatiseringstoepassingen. Omdat latentie noch een gedefinieerde waarde is voor Ethernet, gespecificeerd door de IEEE 802.3-standaard, noch een inherente synchrone of herhaalbare waarde van Ethernet, moet de ontkoppeling tussen Ethernet en fabrieksautomatiseringstoepassingen worden aangepakt via de zorgvuldige architectuur van Ethernet Physical Layer Devices (PHY's).
Ongeacht de netwerktopologie of industriële protocollen delen deze protocollen een gemeenschappelijk doel: nauwkeurige controle bieden over verschillende knooppunten op een industrieel netwerk. Dit kan worden bereikt door tijdstempels-van verzonden en ontvangen pakketten te voorzien en deze tijdstempels te gebruiken om de netwerktijd tussen netwerkknooppunten te synchroniseren. De netwerktijd wordt gedeeld door het protocol binnen de pakketgegevens, en de tijdstempeleenheid van elk knooppunt markeert die tijd. Elke wijziging in de tijdstempel vermindert de nauwkeurigheid van het systeem. Langere vertragingen beperken ook de frequentie waarmee pakketten tijdstempels kunnen gebruiken en beperken het aantal toegestane knooppunten in het netwerk. Vertragingen moeten daarom zoveel mogelijk worden beperkt.
Industrieel Ethernet PHY - Dela
Voor motion control-toepassingen in de industriële automatisering die nauwkeurige besturing vereisen, moeten cyclustijden doorgaans tientallen microseconden bedragen. Op deze niveaus is de vertraging door elke component in het netwerk van cruciaal belang. De vertragingscontrole van de fysieke Ethernet-laag (PHY) is een zeer kritische beperkende factor voor de cyclustijd.
In Ethernet-standaarden zoals 1000Base-T en 100Base-TX kunnen PHY's met een lagere operationele latentie de cyclustijd verbeteren. Een lagere latentie kan de cyclustijd naar hetzelfde niveau tillen als Ethernet met een hogere transmissiesnelheid, waardoor de netwerkbandbreedte effectief wordt vergroot. Momenteel werken de meeste industriële Ethernet-toepassingen op 100Base-TX Ethernet, maar veel toepassingen beginnen over te stappen naar 1000Base-T, dat een hogere bandbreedte biedt. Een PHY met lagere latentie vergroot effectief de netwerkbandbreedte en vergemakkelijkt ook de overgang van Ethernet naar hogere datasnelheden.
PHY intern ontwerp, TI
In Ethernet-netwerken zoals 1000Base-T en 100Base-TX kan een PHY met een lagere operationele latentie de cyclustijd verbeteren. Een lagere latentie kan de cyclustijd verlengen tot hetzelfde niveau als Ethernet met een hogere transmissiesnelheid, waardoor de netwerkbandbreedte effectief wordt vergroot. Momenteel werken de meeste industriële Ethernet-toepassingen op 100Base-TX Ethernet, maar veel toepassingen beginnen over te stappen naar 1000Base-T, dat een hogere bandbreedte biedt. PHY's met een lagere latentie vergroten effectief de netwerkbandbreedte en vergemakkelijken ook de overgang van Ethernet naar hogere datasnelheden.
Andere uitdagingen voor PHY in de evolutie van industrieel Ethernet
De temperatuur is moeilijk te controleren in industriële omgevingen, en strengere temperatuuromstandigheden dragen bij aan de complexiteit van het PHY-ontwerp. PHY moet in staat zijn zijn nominale prestaties te leveren over een breed temperatuurbereik. Over het algemeen zou industrieel Ethernet PHY moeten kunnen werken in een temperatuurbereik van -40 tot 85 graden en bestand moeten zijn tegen een maximale junctietemperatuur van 125 graden.
Het stroomverbruik is ook altijd een kritische factor, vooral bij gigabit PHY's, waar het stroomverbruik een aanzienlijke invloed kan hebben op het totale stroomverbruik van het systeem. Het energiebudget dat aan de fysieke Ethernet-laag wordt toegewezen, is beperkt en elk onderling verbonden apparaat heeft twee fysieke Ethernet-lagen nodig. Het energieverbruik moet dus voldoende laag zijn om aan de connectiviteitsvereisten van het hele apparaat te voldoen. Sommige fabrikanten kiezen voor dubbele-voeding naast PHY's met laag-vermogen om een nog lager energieverbruik te bereiken.
Samenvatting
Naarmate de complexiteit van fabrieksautomatiseringssystemen blijft groeien, neemt de vraag naar het verzenden van meer gegevens tussen knooppunten toe, waardoor het steeds belangrijker wordt om hoge- connectiviteit binnen fabrieken te behouden. PHY-hardwareverbindingen die niet worden beïnvloed door zware industriële omgevingen zijn zeer waardevol voor de implementatie van industriële internetnetwerken.