Single-Pair Ethernet: Zuverlässige industrielle Konnektivität

In einer Welt mit zunehmender Abhängigkeit von drahtloser Kommunikation wirkt die kabelgebundene Welt eher veraltet. Doch im industriellen IoT (IIoT) sind Kabel immer noch die Norm. Es gibt mehrere Gründe für die Beibehaltung kabelgebundener Konnektivität im industriellen Umfeld: HF-Störungen, überfüllte Frequenzbänder, Lizenzanforderungen und schlichte Reaktionsfähigkeit.

Traditionell waren industrielle Anwendungen das Ziel älterer Feldbus-Technologien wie Profibus, Modbus, CAN und anderen. Diese Technologien basieren typischerweise auf Twisted-Pair-Verkabelung und liegen generell bei 1 Mbit/s oder weniger Leistungsniveau. In der Industrie ist Kosten alles. Daher muss die Verkabelung zu Sensoren und Aktoren kostengünstig und langlebig sein. Deshalb ist Single-Twisted-Pair-Verkabelung die Norm.

Dennoch sehen wir die Expansion der vierten industriellen Revolution, auch bekannt als Industry 4.0 (I4). I4 zeichnet sich durch den Einsatz großskaliger Machine-to-Machine (M2M) Kommunikation und den Einsatz des Internet of Things (IoT) für erhöhte Automatisierung aus. Das Ziel dieses Trends ist der Einsatz intelligenter Geräte, die ohne menschliches Eingreifen operieren, Daten analysieren und Aktionen ausführen können. Der Schlüssel zum Erfolg von I4 basiert auf Konnektivität und Performance mit minimalen Zwischentranslationen der Signale, die Latenz verursachen könnten. Zusätzlich zentriert sich das IoT-Element oft darauf, Daten nahtlos vom Sensor bis in die Cloud kommunizieren zu können. In unserer aktuellen Welt impliziert dies die Verwendung des IP-Protokollstacks.

Leider übergeben keine der traditionellen Feldbus-Technologien typischerweise IP-Frames. Das bedeutet, es besteht eine Anforderung an Übersetzerboxen, die von Profibus- oder CAN-Frames zu IP und umgekehrt übersetzen. Dies führt zu Latenz und erhöht Kosten. Und da die meisten dieser Feldbus-Technologien im Vergleich zu modernen Kommunikationen wie Wi-Fi oder 5G Cellular relativ langsam sind, wird ein neuer Ansatz benötigt, um die wachsenden Kommunikationsanforderungen von I4 zu unterstützen.

Nutzung automobiler Fortschritte

In der Automobilwelt sehen wir eine Explosion der Datenmenge, die für Sensoren in Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) benötigt wird. Wie traditionelle industrielle Anwendungen haben Automobilanwendungen auf Feldbus-Technologien wie CAN für die Kommunikation zwischen Electronic Control Unit (ECU) und Sensoren/Aktoren wie ABS, Emissionskontrolle und anderen vertraut. Die 1-Mbit/s-Grenze für CAN oder sogar die erweiterten Datenraten für CAN-FD (bis zu 5 Mbit/s) sind jedoch nicht ausreichend für die multiplen Kamera-Feeds, Radare und Lidar moderner ADAS-ausgestatteter Fahrzeuge. Was Automobilanwendungen brauchen, ist eine zuverlässige, hochgeschwindige Netzwerkfähigkeit, die Time-to-Market für neue Fähigkeiten verkürzt und Gewicht reduziert. Zusätzlich würde die Fähigkeit, IP im Fahrzeug zu unterstützen, die Softwareentwicklung erleichtern und die Notwendigkeit von Protokollkonvertern minimieren.

Wenn wir ein Blatt aus der IT-Welt nehmen, sehen wir, dass Ethernet auch angesichts drahtloser Protokolle eine dominierende Technologie ist. Ethernet ist das Rückgrat, das garantierte Performance bei Datenraten bis zu 400 Gbit/s innerhalb der Cloud-Infrastruktur liefert. Traditionelles Ethernet verwendet jedoch typischerweise Zwei- oder Vierpaar-Verkabelung oder Glasfaser. Im Vergleich zum Single-Pair CAN-Bus ist traditionelles Ethernet-Kabel teurer, schwerer (bei Zwei- oder Vierpaar-Verkabelung) oder weniger robust (bei Glasfaser). Ein Single-Pair Ethernet, das Datenraten im 1-Gbit/s-Bereich bewältigen könnte, wäre ideal. Hier kommt xBASE-T1 Single Pair Ethernet (SPE).

Standardisierung von SPE

Die IEEE 802.3 Arbeitsgruppe ist für die mit Ethernet verbundenen Standards verantwortlich. Ursprünglich 1983 standardisiert, hat Ethernet in seinen vielen Formen konkurrierende Technologien wie ARCNET, FDDI und Token Ring abgelöst. Ursprünglich auf Koaxialkabel basierend, entwickelte sich Ethernet zur Verwendung sowohl geschirmter als auch ungeschirmter Twisted-Pair-Kabel und Anfang der 1990er Jahre wurde der allgegenwärtige RJ45 (8P8C) Stecker zu einem gängigen Bestandteil vieler Computergeräte in der IT.

Die ursprüngliche 10BASE-T-Implementierung basierte auf zwei Drahtpaaren, wobei ein Differenzpaar für Senden und eines für Empfangen verwendet wurde. Begrenzt auf 10 Mbit/s, war dieser Standard viel schneller als der ursprüngliche Koaxial-Ansatz, nutzte aber eine Stern- statt der Bus-Topologie der Koax-Lösung. Dieser sternverdrahtete Ansatz erforderte die Verwendung eines zentralen Hubs, bekannt als Ethernet-Switch, der Datenbewegungen zwischen an die Switch-Ports angeschlossenen Geräten handhaben konnte. Dieselbe Zwei-Paar-Kabellösung wurde mit der Einführung von Fast Ethernet (100BASE-T) fortgesetzt, das Datenraten bis zu 100 Mbit/s unterstützt. Mit der Einführung von Gigabit Ethernet (1000BASE-T) verdoppelte sich die Anzahl der Drahtpaare auf vier und die Datenraten stiegen um eine Größenordnung.

Zusätzlich zu Änderungen bei den Datenraten führte eine als Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.3at-2009) bekannte Technik mehrere alternative Mittel ein, um Strom über dasselbe Ethernet-Kabel wie die Daten zu liefern. Mit Unterstützung der Lieferung von bis zu 25,5 W bei 48 VDC ermöglichte PoE die Stromversorgung entfernter Geräte wie Überwachungskameras und Wireless Access Points. Eine spätere Version ist als Power over Data Lines (PoDL – IEEE 802.3bu-2016) bekannt, die die Lieferung von bis zu 50 W bei 12, 24 oder 48 VDC ermöglicht. PoDL wurde speziell für den xBASE-T1 SPE-Markt entwickelt und ermöglicht die Lieferung von sowohl Daten als auch Strom über ein einzelnes Drahtpaar.

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 primären Merkmale dieser Varianten zusammen:

Das „L“ in 10BASE-T1L steht für „Long Reach“ aufgrund seiner 1 km Länge (viele Implementierungen können je nach Kabelqualität und Steckertypen tatsächlich 1 km übertreffen). Einer der vielen Vorteile der SPE-Spezifikation ist, dass sie bestehende Single-Twisted-Pair-Feldbus-Kabelstrecken nutzen kann. Das ist eine enorme Ersparnis für industrielle Anwendungen. Und mit der Hinzufügung von PoDL kann das entfernte Gerät Kommunikation unterstützen und über denselben Kabelabschnitt mit Strom versorgt werden. Als zusätzlicher Vorteil ist die 10 Mbit/s Datenrate signifikant schneller als die Feldbus-Implementierungen, die sie ersetzen soll.

Während die T1L-Variante auf Punkt-zu-Punkt-Anwendungen abzielt, gibt es auch eine „Short Reach“-Variante (10BASE-T1S), die als Multi-Drop-Implementierung verdrahtet ist, um gängige Feldbus-Versionen wie 20-mA-Stromschleife und CAN zu ersetzen. Die Reichweite der T1S-Varianten ist deutlich auf 25 m verkürzt. Aber die Nutzung von Multi-Drop ermöglicht einen einzelnen Kabelstrang mit einem einzelnen Port-Interface für den Media Access PHY.

Um den Multi-Drop-Zugriff zu unterstützen und potenzielle Kollisionen auf dem Kabel zu vermeiden, gibt es zwei Ansätze. Der erste nutzt Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD), das an die ursprünglichen Ethernet-Implementierungen der 1980er Jahre erinnert. In diesem Ansatz hört jede Station zuerst auf Verkehr im Bus, bevor sie sendet. Für den Fall, dass mehrere Stationen gleichzeitig zu senden versuchen, wird die Kollision erkannt, jede Station stoppt das Senden, wartet eine kurze zufällige Zeit, und der Prozess wiederholt sich mit Abhören auf einen freien Bus und erneutem Sendeversuch. Dies ist ein einfacher Ansatz, fügt aber ein stochastisches Element zur Kommunikation hinzu, das Latenz verursacht.

Wenn die Anwendung besonders latenzempfindlich ist, kann ein alternativer Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) Mechanismus zum CSMA/CD hinzugefügt werden, wobei eine Station als Master bezeichnet wird, der ein Beacon sendet, das nur der im Beacon bezeichneten Station das Senden erlaubt (etwas wie eine Token-Ring-Implementierung). Dies erleichtert Determinismus, indem es jedem Station einen dedizierten Slot bietet und potenzielle Kollisionen vermeidet, wenn die Anzahl der Stationen auf das 31-Station-Maximum ansteigt. Es sei angemerkt, dass PoDL für Multi-Drop-Anwendungen noch nicht definiert ist.

Ethernet ist Ethernet

Einer der signifikanten Vorteile von SPE ist, dass es im endgültigen Analyse Ethernet ist. Was Protokollstacks betrifft, ist SPE wie jedes andere Ethernet-Segment. Das bedeutet, Sie können IPv4/IPv6-Protokolle problemlos auf der SPE-Implementierung verwenden. Das ist ein enormer Zeitgewinn für die Softwareentwicklung, da Softwareteams standardmäßige IP-basierte APIs für Kommunikation nutzen können. Es gibt keine Anforderung für Protokollkonvertierung von einer der Feldbus-Varianten zu IP und zurück, wodurch Latenz reduziert und die Kosten des Protokollkonverter-Geräts eliminiert werden.

Auto-Speed-Detection im SPE-Switch ist ebenfalls möglich, genau wie beim typischen Vierpaar-Ethernet-Switch. Daher könnte ein Switch 10BASE-T1, 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 Segmente sowie traditionellere Zwei- oder Vierpaar-Ethernet-Interfaces für Debugging oder Anbindung an traditionelle IT-Hardware wie Panel-PCs handhaben. Der Switch könnte auch PoDL unterstützen, um entfernte Geräte bei Bedarf mit Strom zu versorgen.

Um versehentliches Verwechseln von SPE und traditionellen Ethernet-Segmenten zu vermeiden, verwendet SPE den IEC 63171-6 Stecker. Dieser Stecker ist ein offener Standard und in IP20- und IP65/67-Versionen erhältlich. Hersteller bieten den Stecker in Standard-Einschub-, Push/Pull- und Schraubverriegelungs-Ausführungen an. Zusätzlich gibt es Optionen für M8- und M12-Stecker, die in bestehenden Feldbus-Implementierungen zu finden sind.

Ausblick

SPE ist bereit, eine bedeutende Rolle in Industry 4.0 zu spielen. Das SPE Industrial Partner Network besteht bereits aus über 30 Herstellern, die Kabel, Assemblies, PHY-Silizium, Ethernet-Switches und Evaluierungsgeräte bereitstellen. Mit der Fähigkeit, höhere Performance zu bieten, bestehende Kabelanlagen zu nutzen, Strom zu liefern und softwarekompatibel mit traditionellen IT-Ethernet-Implementierungen zu sein, bietet SPE einen relativ kostengünstigen Upgrade-Pfad für den Austausch verkabelter Sensoren und Aktoren, wenn bestehende Systeme altern. Ist SPE die Zukunft der industriellen Automatisierung und Automobilindustrie? Es hat sicherlich das Potenzial dazu.

Dieser Artikel wurde von Mike Anderson, Sr. Project Leader — Embedded Systems Architect, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA), verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Anderson unter michael.e.anderson@aero.org oder besuchen Sie hier.