Industrielle Konnektivität mit Single Pair Ethernet

In einer Welt mit zunehmender Abhängigkeit von drahtloser Kommunikation scheint die kabelgebundene Welt eher passé. Im Industrial IoT (IIoT) sind Kabel jedoch immer noch die Norm. Es gibt mehrere Gründe für die Aufrechterhaltung der kabelgebundenen Konnektivität im industriellen Umfeld, darunter HF-Störungen, überfüllte Funkbänder, Lizenzanforderungen und einfache Reaktionsfähigkeit.

Traditionell waren industrielle Anwendungen das Ziel älterer Feldbustechnologien wie Profibus, Modbus, CAN und anderer. Diese Technologien basieren typischerweise auf Twisted-Pair-Verkabelung und liegen im Allgemeinen im Leistungsbereich von 1 Mbps oder weniger. In der industriellen Welt sind die Kosten alles. Daher muss die Verkabelung zu Sensoren und Aktoren kostengünstig und langlebig sein. Daher ist eine einzelne Twisted-Pair-Verkabelung die Norm.

Nichtsdestotrotz sehen wir die Ausbreitung der vierten industriellen Revolution, auch bekannt als Industrie 4.0 (I4). I4 zeichnet sich durch die Nutzung groß angelegter Machine-to-Machine (M2M)-Kommunikation und den Einsatz des Internet of Things (IoT) für eine stärkere Automatisierung aus. Das Ziel dieses Trends ist der Einsatz intelligenter Geräte, die ohne menschliches Eingreifen funktionieren, Daten analysieren und Maßnahmen ergreifen können. Der Schlüssel zum Erfolg von I4 basiert auf Konnektivität und Leistung mit einem Minimum an Zwischenübersetzungen der Signale, die zu Latenz führen könnten. Darüber hinaus konzentriert sich das IoT-Element häufig darauf, Daten vom Sensor nahtlos bis in die Cloud zu übertragen. In unserer heutigen Welt impliziert dies die Verwendung des IP-Protokollstapels.

Leider leitet keine der herkömmlichen Feldbustechnologien typischerweise IP-Frames weiter. Das bedeutet, dass Übersetzerboxen benötigt werden, die von Profibus- oder CAN-Frames nach IP und umgekehrt übersetzen. Dies führt zu Latenz und erhöht die Kosten. Und da die meisten dieser Feldbustechnologien im Vergleich zu moderner Kommunikation wie Wi-Fi oder 5G Cellular relativ langsam sind, ist ein neuer Ansatz erforderlich, um die wachsenden Kommunikationsanforderungen von I4 zu unterstützen.

Automobile Fortschritte nutzen

In der Automobilwelt erleben wir eine Explosion der Datenmenge, die für Sensoren in Fahrerassistenzsystemen (ADAS) benötigt werden. Wie traditionelle industrielle Anwendungen verlassen sich Automobilanwendungen auf Feldbustechnologien wie CAN für die Kommunikation zwischen der elektronischen Steuereinheit (ECU) und Sensoren/Aktuatoren wie Antiblockierbremsen, Emissionskontrollen und anderen. Die 1-Mbit/s-Ratenbegrenzungen für CAN oder sogar die erhöhten Datenraten für CAN-FD (bis zu 5 Mbit/s) sind jedoch nicht ausreichend für die Mehrfachkamera-Feeds, Radare und Lidar der modernen ADAS-ausgestatteten Fahrzeuge. Was Automobilanwendungen benötigen, ist eine zuverlässige Hochgeschwindigkeits-Netzwerkfähigkeit, die die Markteinführungszeit für neue Funktionen verkürzt und gleichzeitig das Gewicht reduziert. Darüber hinaus würde die Fähigkeit, IP innerhalb des Fahrzeugs zu unterstützen, die Softwareentwicklung vereinfachen und den Bedarf an Protokollkonvertern minimieren.

Wenn wir eine Seite aus der Welt der Informationstechnologie nehmen, würden wir sehen, dass Ethernet selbst im Hinblick auf drahtlose Protokolle eine sehr dominante Technologie ist. Ethernet ist das Rückgrat, das garantierte Leistung bei Datenraten von bis zu 400 Gbit/s innerhalb der Cloud-Infrastruktur liefert. Herkömmliches Ethernet verwendet jedoch normalerweise zwei- oder vieradrige Kabel oder Glasfaserkabel. Im Vergleich zum einpaarigen CAN-Bus ist die herkömmliche Ethernet-Verkabelung teurer, schwerer (bei zwei- oder vierpaariger Verkabelung) oder weniger robust (bei Glasfaser). Ideal wäre also ein Single-Pair-Ethernet, das Datenraten im 1-Gbit/s-Bereich verarbeiten könnte. Geben Sie xBASE-T1 Single Pair Ethernet (SPE) ein.

Standardisierung von SPE

Die Arbeitsgruppe IEEE 802.3 ist für die Standards rund um Ethernet zuständig. Ursprünglich 1983 standardisiert, hat Ethernet in seinen vielen Formen konkurrierende Technologien wie ARCNET, FDDI und Token Ring in den Schatten gestellt. Ethernet basierte ursprünglich auf Koaxialkabeln und entwickelte sich zur Verwendung von sowohl abgeschirmten als auch ungeschirmten Twisted-Pair-Kabeln, und in den frühen 1990er Jahren wurde der allgegenwärtige RJ45-Anschluss (8P8C) zu einem gängigen Bestandteil vieler Computergeräte in der IT.

Die ursprüngliche 10BASE-T-Implementierung stützte sich auf zwei Drahtpaare, wobei ein differentielles Paar zum Senden und ein differentielles Paar zum Empfangen verwendet wurde. Dieser auf 10 Mbit/s begrenzte Standard war viel schneller als der ursprüngliche koaxbasierte Ansatz, verwendete jedoch eher einen Stern als die Bustopologie der Koaxlösung. Dieser sternförmige Ansatz erforderte die Verwendung eines zentralen Hubs, der als Ethernet-Switch bekannt ist und die Datenbewegung zwischen Geräten handhaben kann, die an die Ports des Switches angeschlossen sind. Dieselbe zweipaarige Kabellösung wurde mit der Einführung von Fast Ethernet, auch bekannt als 100BASET, fortgesetzt, das Datenraten von bis zu 100 Mbit/s unterstützt. Mit der Einführung von Gigabit Ethernet (1000BASE-T) verdoppelte sich die Anzahl der Adernpaare auf vier und die Datenraten stiegen um eine Größenordnung.

Zusätzlich zu Änderungen in den Datenraten führte eine als Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.at-2009) bekannte Technik mehrere alternative Mittel ein, um Strom über dasselbe Ethernet-Kabel wie die Daten zu liefern. Durch die Unterstützung der Bereitstellung von bis zu 25,5 W bei 48 VDC ermöglichte PoE die Stromversorgung von entfernten Geräten wie Überwachungskameras und drahtlosen Zugangspunkten. Eine spätere Version ist als Power over Data Lines (PoDL – IEEE 802.3bu-2016) bekannt und ermöglicht die Lieferung von bis zu 50 W bei 12, 24 oder 48 VDC. PoDL wurde speziell für den xBASE-T1 SPE-Markt entwickelt und ermöglicht die Lieferung von Daten und Strom über ein einziges Adernpaar.

Die xBASE-T1-Standards können weiter in 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) und 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp) unterteilt werden. Die folgende Tabelle fasst die Hauptmerkmale dieser Varianten zusammen:

Das „L“ in 10BASE-T1L steht aufgrund seiner Länge von 1 km für „lange Reichweite“ (viele Implementierungen können je nach Kabelqualität und Steckertypen tatsächlich 1 km überschreiten). Einer der vielen Vorteile der SPE-Spezifikation besteht darin, dass sie die bestehenden Einzel-Twisted-Pair-Feldbuskabelwege verwenden kann. Dies ist eine enorme Einsparung für industrielle Anwendungen. Und mit dem Hinzufügen von PoDL kann das Remote-Gerät die Kommunikation unterstützen und über dasselbe Kabelsegment mit Strom versorgt werden. Als zusätzlicher Vorteil ist die Datenrate von 10 Mbit/s erheblich schneller als die Feldbus-Implementierungen, die sie ersetzen soll.

Während die T1L-Variante auf Punkt-zu-Punkt-Anwendungen ausgerichtet ist, gibt es auch eine „Short Reach“-Variante (10BASE-T1S), die als Multi-Drop-Implementierung verdrahtet ist, um gängige Feldbusversionen wie 20-mA-Stromschleife und CAN zu ersetzen . Die Reichweite der T1S Flavors wird deutlich auf 25 m verkürzt. Die Verwendung von Multi-Drop ermöglicht jedoch eine einzige Kabelführung mit einer einzigen Port-Schnittstelle für den Medienzugriffs-PHY.

Um den Multidrop-Zugriff zu unterstützen und mögliche Konflikte auf dem Kabel zu vermeiden, gibt es zwei Ansätze. Die erste ist die Verwendung von Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD), die auf die ursprünglichen Ethernet-Implementierungen aus den 1980er Jahren zurückgeht. Bei diesem Ansatz hört jede Station zuerst den Verkehr auf dem Bus ab, bevor sie sendet. Für den Fall, dass mehrere Stationen gleichzeitig zu senden versuchen, wird die Kollision erkannt, jede Station stoppt die Übertragung, wartet eine kurze zufällige Zeitspanne, und dann wiederholt sich der Vorgang mit dem Hören auf einen freien Bus und einem erneuten Sendeversuch. Dies ist ein einfacher Ansatz, fügt der Kommunikation jedoch ein stochastisches Element hinzu, das zu Latenz führt.

Wenn die Anwendung besonders latenzempfindlich ist, kann dem CSMA/CD ein alternativer Physical Layer Collision Avoidance (PLCA)-Mechanismus hinzugefügt werden, bei dem eine Station als Master bezeichnet wird, der ein Beacon aussendet, das nur die im Beacon bezeichnete Station zulässt übertragen (etwas wie eine Token-Ring-Implementierung). Dies erleichtert die Entschlossenheit, indem für jede Station ein bestimmter Schlitz bereitgestellt wird und die Möglichkeit von Kollisionen vermieden wird, wenn die Anzahl der Stationen auf das Maximum von 31 Stationen ansteigt. Es sollte beachtet werden, dass PoDL noch nicht für die Verwendung in Multi-Drop-Anwendungen definiert ist.

Ethernet ist Ethernet

Einer der wesentlichen Vorteile von SPE ist, dass es sich letztendlich um Ethernet handelt. Was Protokollstacks betrifft, ist SPE also genau wie jedes andere Ethernet-Segment. Das bedeutet, dass Sie problemlos IPv4/IPv6-Protokolle zusätzlich zur SPE-Implementierung verwenden können. Dies ist eine enorme Zeitersparnis bei der Softwareentwicklung, da die Softwareteams IP-basierte Standard-APIs für die Kommunikation verwenden können. Es ist keine Protokollkonvertierung von einer der Feldbusvarianten zu IP und zurück erforderlich, wodurch die Latenz verringert und die Kosten für das Protokollkonvertergerät eliminiert werden.

Die automatische Geschwindigkeitserkennung im SPE-Switch ist ebenso möglich wie der typische Ethernet-Switch mit vier Paaren. Daher könnte ein Switch 10BASE-T1-, 100BASE-T1- und 1000 BASE-T1-Segmente handhaben sowie traditionellere zwei- oder vierpaarige Ethernet-Schnittstellen für das Debugging oder die Verbindung mit herkömmlicher IT-Hardware wie Panel-PCs unterstützen. Der Switch könnte bei Bedarf auch PoDL unterstützen, um entfernte Geräte mit Strom zu versorgen.

Um ein versehentliches Verwechseln von SPE- und traditionellen Ethernet-Segmenten zu vermeiden, verwendet SPE den IEC 63171-6-Steckverbinder. Dieser Steckverbinder ist ein offener Standard und ist sowohl in IP20- als auch in IP65/67-Versionen erhältlich. Die Hersteller bieten den Steckverbinder mit Standard-Einsteck-, Push/Pull- und schraubbaren Steckgesichtern an. Darüber hinaus gibt es Optionen für M8- und M12-Steckverbinder, die in bestehenden Feldbus-Implementierungen zu finden sind.

Das Outlook

SPE ist bereit, eine bedeutende Rolle in der Industrie 4.0 zu spielen. Das SPE Industrial Partner Network besteht bereits aus über 30 Herstellern, die Kabel, Konfektionen, PHY-Silizium, Ethernet-Switches und Evaluierungsgeräte anbieten. Mit der Fähigkeit, eine höhere Leistung bereitzustellen, vorhandene Kabelanlagen zu nutzen, Strom bereitzustellen und softwarekompatibel mit den traditionellen IT-Ethernet-Implementierungen zu sein, bietet SPE einen relativ kostengünstigen Upgrade-Pfad zum Ersetzen kabelgebundener Sensoren und Aktoren, wenn die vorhandenen Systeme veraltet sind . Ist SPE die Zukunft der industriellen Automatisierung und der Automobilindustrie? Potenzial hat es auf jeden Fall.

Dieser Artikel wurde von Mike Anderson, Senior Project Leader – Embedded Systems Architect, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA) verfasst. Wenden Sie sich für weitere Informationen an Herrn Anderson unter michael.e.anderson@ aero.org oder besuchen Sie hier .