In heutigen industriellen Umgebungen sind komplexe Automatisierungsarchitekturen und eine große Vielfalt an Fertigungstechnologien in allen industriellen Systemen vorherrschend, die alle über industrielle Netzwerke verbunden sind. Eine stabile Netzwerkverbindung ist für den normalen Betrieb industrieller Systeme von entscheidender Bedeutung.
Im Gegensatz zum Einsatz von Ethernet in kommerziellen oder Verbraucherumgebungen stellen industrielle Ethernet-Umgebungen zusätzliche physikalische und elektromagnetische Herausforderungen dar. Für Ethernet-PHYs in Industriequalität- gelten äußerst strenge Anforderungen hinsichtlich Temperaturtoleranz, Spannungsspitzen, Latenzanforderungen und Netzwerkgeschwindigkeit.
Die Auswirkungen der Latenz auf die industrielle Automatisierung
In industriellen Ethernet-Systemen gibt es viele Verzögerungsquellen. Einige Verzögerungen werden durch physische Verbindungen verursacht, typischerweise durch Kabel- und Leiterplattenverbindungen. Außerdem kommt es bei Daten zu Verzögerungen, wenn sie PHY, MAC, Switches und andere Komponenten in der Netzwerkverbindung passieren. Verzögerung ist auch ein wichtiger Referenzindikator bei der Auswahl eines PHY.
Industrielle Automatisierungsnetzwerkarchitektur, TI
Obwohl sich die IEEE 802.3-Standardreihe ständig weiterentwickelt, gibt es keine explizite Spezifikation für die Zeit, die ein Datenpaket benötigt, um den PHY zu durchlaufen. Allerdings kann sich die Latenz direkt auf Echtzeit-Fabrikautomatisierungsanwendungen auswirken. Da die Latenz weder ein im IEEE 802.3-Standard definierter Wert für Ethernet noch ein inhärenter synchroner oder wiederholbarer Wert von Ethernet ist, muss die Trennung zwischen Ethernet und Fabrikautomatisierungsanwendungen durch die sorgfältige Architektur von Ethernet-Physical-Layer-Geräten (PHYs) behoben werden.
Unabhängig von der Netzwerktopologie oder den Industrieprotokollen haben diese Protokolle ein gemeinsames Ziel: die präzise Steuerung verschiedener Knoten in einem Industrienetzwerk. Dies kann erreicht werden, indem gesendete und empfangene Pakete mit einem Zeitstempel-gestempelt werden und diese Zeitstempel verwendet werden, um die Netzwerkzeit über Netzwerkknoten hinweg zu synchronisieren. Die Netzwerkzeit wird vom Protokoll innerhalb der Paketdaten geteilt und die Zeitstempeleinheit jedes Knotens markiert diese Zeit. Jede Änderung des Zeitstempels verringert die Genauigkeit des Systems. Längere Verzögerungen begrenzen auch die Häufigkeit, mit der Pakete Zeitstempel verwenden können, und schränken die Anzahl der im Netzwerk zulässigen Knoten ein. Daher müssen Verzögerungen so gering wie möglich gehalten werden.
Industrielles Ethernet PHY - Dela
Für Bewegungssteuerungsanwendungen in der industriellen Automatisierung, die eine präzise Steuerung erfordern, müssen die Zykluszeiten typischerweise im zweistelligen Mikrosekundenbereich liegen. Auf diesen Ebenen ist die Verzögerung durch jede Komponente im Netzwerk entscheidend. Die Verzögerungssteuerung der Ethernet-Physical-Layer (PHY) ist ein sehr kritischer limitierender Faktor für die Zykluszeit.
In Ethernet-Standards wie 1000Base-T und 100Base-TX können PHYs mit geringerer Betriebslatenz die Zykluszeit verbessern. Eine geringere Latenz kann die Zykluszeit auf das gleiche Niveau wie eine schnellere Ethernet-Übertragungsrate erhöhen und so die Netzwerkbandbreite effektiv erhöhen. Derzeit laufen die meisten industriellen Ethernet-Anwendungen auf 100Base-TX-Ethernet, aber viele Anwendungen beginnen mit der Umstellung auf 1000Base-T, das eine höhere Bandbreite bietet. Ein PHY mit geringerer Latenz erhöht effektiv die Netzwerkbandbreite und erleichtert außerdem den Übergang von Ethernet zu höheren Datenraten.
PHY internes Design, TI
In Ethernet-Netzwerken wie 1000Base-T und 100Base-TX kann ein PHY mit geringerer Betriebslatenz die Zykluszeit verbessern. Eine geringere Latenz kann die Zykluszeit auf das gleiche Niveau wie eine schnellere Ethernet-Übertragungsrate erhöhen, wodurch die Netzwerkbandbreite effektiv erhöht wird. Derzeit laufen die meisten industriellen Ethernet-Anwendungen auf 100Base-TX-Ethernet, aber viele Anwendungen beginnen mit der Umstellung auf 1000Base-T, das eine höhere Bandbreite bietet. PHYs mit geringerer Latenz erhöhen effektiv die Netzwerkbandbreite und erleichtern auch den Übergang von Ethernet zu höheren Datenraten.
Weitere Herausforderungen für PHY in der Entwicklung von Industrial Ethernet
In industriellen Umgebungen lässt sich die Temperatur nur schwer kontrollieren, und strengere Temperaturbedingungen erhöhen die Komplexität des PHY-Designs. PHY muss in der Lage sein, über einen weiten Temperaturbereich seine Nennleistung zu erbringen. Im Allgemeinen sollte ein industrieller Ethernet-PHY in einem Temperaturbereich von -40 bis 85 Grad betrieben werden können und einer maximalen Sperrschichttemperatur von 125 Grad standhalten.
Auch der Stromverbrauch ist jederzeit ein kritischer Faktor, insbesondere bei Gigabit-PHYs, wo der Stromverbrauch den Gesamtstromverbrauch des Systems erheblich beeinflussen kann. Das der Ethernet-Physikschicht zugewiesene Strombudget ist begrenzt und jedes miteinander verbundene Gerät benötigt zwei Ethernet-Physikschichten, sodass der Stromverbrauch ausreichend niedrig sein muss, um die Konnektivitätsanforderungen des gesamten Geräts zu erfüllen. Einige Hersteller entscheiden sich zusätzlich zu stromsparenden PHYs für den Dual-{2}Power-Betrieb, um einen noch geringeren Stromverbrauch zu erzielen.
Zusammenfassung
Da die Komplexität von Fabrikautomatisierungssystemen weiter zunimmt, steigt der Bedarf an der Übertragung von mehr Daten zwischen Knoten, wodurch es immer wichtiger wird, eine leistungsstarke Konnektivität innerhalb von Fabriken aufrechtzuerhalten. PHY-Hardwareverbindungen, die von rauen Industrieumgebungen nicht beeinträchtigt werden, sind für die Implementierung industrieller Internetnetzwerke von großem Wert.