V dnešním průmyslovém prostředí převládají v průmyslových systémech komplexní automatizační architektury a široká škála výrobních technologií, které jsou všechny propojeny prostřednictvím průmyslových sítí. Stabilní síťové připojení je zásadní pro normální provoz průmyslových systémů.
Na rozdíl od nasazení Ethernetu v komerčních nebo spotřebitelských prostředích představují průmyslové Ethernetové prostředí další fyzické a elektromagnetické výzvy. Ethernetové PHY průmyslové-třídy mají extrémně přísné požadavky, pokud jde o teplotní toleranci, napěťové rázy, požadavky na latenci a rychlost sítě.
Vliv latence na průmyslovou automatizaci
V systémech průmyslového Ethernetu existuje mnoho zdrojů zpoždění. Některá zpoždění jsou způsobena fyzickým připojením, obvykle kabeláží a připojením PCB. Data také zaznamenají zpoždění, když procházejí přes PHY, MAC, přepínače a další komponenty v síťovém připojení. Zpoždění je také důležitým referenčním ukazatelem při výběru PHY.
Síťová architektura průmyslové automatizace, TI
Přestože se řada standardů IEEE 802.3 nadále vyvíjí, neexistuje žádná explicitní specifikace doby, kterou datový paket potřebuje k průchodu PHY. Latence však může přímo ovlivnit-aplikace pro automatizaci výroby v reálném čase. Vzhledem k tomu, že latence není ani definovaná hodnota pro Ethernet specifikovaná standardem IEEE 802.3, ani inherentní synchronní nebo opakovatelná hodnota Ethernetu, proto musí být odpojení mezi Ethernetem a továrními automatizačními aplikacemi řešeno pečlivou architekturou ethernetových zařízení fyzické vrstvy (PHY).
Bez ohledu na topologii sítě nebo průmyslové protokoly mají tyto protokoly společný cíl: poskytovat přesnou kontrolu nad různými uzly v průmyslové síti. Toho lze dosáhnout časovým-označením odeslaných a přijatých paketů a použitím těchto časových značek k synchronizaci času sítě mezi uzly sítě. Čas sítě je sdílen protokolem v rámci paketových dat a jednotka časového razítka každého uzlu tento čas označuje. Jakákoli změna časového razítka snižuje přesnost systému. Delší zpoždění také omezují frekvenci, na které mohou pakety používat časové značky, a omezují počet povolených uzlů v síti. Proto musí být zpoždění co nejvíce minimalizována.
Průmyslový Ethernet PHY - Dela
Pro aplikace řízení pohybu v průmyslové automatizaci, které vyžadují přesné řízení, musí být časy cyklů obvykle v řádu desítek mikrosekund. Na těchto úrovních je zpoždění přes každou komponentu v síti kritické. Řízení zpoždění fyzické vrstvy Ethernetu (PHY) je velmi kritickým omezujícím faktorem pro dobu cyklu.
Ve standardech Ethernet, jako je 1000Base-T a 100Base{3}}TX, mohou PHY s nižší provozní latencí zkrátit dobu cyklu. Nižší latence může prodloužit dobu cyklu na stejnou úroveň jako rychlejší přenosová rychlost Ethernet, čímž se efektivně zvýší šířka pásma sítě. V současné době většina aplikací průmyslového Ethernetu pracuje na 100Base-TX Ethernetu, ale mnoho aplikací začíná přecházet na 1000Base-T, který nabízí vyšší šířku pásma. PHY s nižší latencí efektivně zvyšuje šířku pásma sítě a také usnadňuje přechod Ethernetu na vyšší datové rychlosti.
PHY vnitřní design, TI
V ethernetových sítích, jako je 1000Base{1}}T a 100Base{3}}TX, může PHY s nižší provozní latencí zkrátit dobu cyklu. Nižší latence může prodloužit dobu cyklu na stejnou úroveň jako rychlejší přenosová rychlost Ethernet, což efektivně zvyšuje šířku pásma sítě. V současné době většina aplikací průmyslového Ethernetu pracuje na 100Base-TX Ethernetu, ale mnoho aplikací začíná přecházet na 1000Base-T, který nabízí vyšší šířku pásma. PHY s nižší latencí účinně zvyšují šířku pásma sítě a také usnadňují přechod Ethernetu na vyšší datové rychlosti.
Další výzvy pro PHY ve vývoji průmyslového Ethernetu
V průmyslovém prostředí je obtížné kontrolovat teplotu a přísnější teplotní podmínky zvyšují složitost návrhu PHY. PHY musí být schopen pracovat při svém jmenovitém výkonu v širokém teplotním rozsahu. Obecně by měl být průmyslový Ethernet PHY schopen pracovat v teplotním rozsahu -40 až 85 stupňů a vydržet maximální teplotu přechodu 125 stupňů.
Spotřeba energie je také vždy kritickým faktorem, zejména u gigabitových PHY, kde spotřeba energie může významně ovlivnit celkovou spotřebu systému. Energetický rozpočet přidělený fyzické vrstvě Ethernetu je omezený a každé propojené zařízení vyžaduje dvě fyzické vrstvy Ethernetu, takže spotřeba energie musí být dostatečně nízká, aby byly splněny požadavky na konektivitu celého zařízení. Někteří výrobci volí vedle nízkoenergetických PHY-provozu s nízkou spotřebou energie, aby dosáhli ještě nižší spotřeby energie.
Shrnutí
Vzhledem k tomu, že složitost systémů pro automatizaci továren neustále roste, roste i poptávka po přenosu většího množství dat mezi uzly, a proto je stále důležitější udržovat v továrnách vysoce{0}}výkonnou konektivitu. Hardwarová připojení PHY, která nejsou ovlivněna drsným průmyslovým prostředím, jsou velmi cenná pro implementaci průmyslových internetových sítí.