V dnešnom priemyselnom prostredí prevládajú v priemyselných systémoch zložité automatizačné architektúry a široká škála výrobných technológií, ktoré sú všetky prepojené cez priemyselné siete. Stabilné sieťové pripojenie je rozhodujúce pre normálnu prevádzku priemyselných systémov.
Na rozdiel od nasadenia Ethernetu v komerčných alebo spotrebiteľských prostrediach predstavujú priemyselné prostredia Ethernet ďalšie fyzické a elektromagnetické výzvy. Ethernetové PHY priemyselné{1}}triedy majú mimoriadne prísne požiadavky, pokiaľ ide o teplotnú toleranciu, napäťové rázy, požiadavky na latenciu a rýchlosť siete.
Vplyv latencie na priemyselnú automatizáciu
V priemyselných systémoch Ethernet existuje veľa zdrojov oneskorenia. Niektoré oneskorenia sú spôsobené fyzickými pripojeniami, zvyčajne elektroinštaláciou a pripojením PCB. Dáta tiež zažívajú oneskorenia, keď prechádzajú cez PHY, MAC, prepínače a ďalšie komponenty v sieťovom pripojení. Oneskorenie je tiež dôležitým referenčným ukazovateľom pri výbere PHY.
Sieťová architektúra priemyselnej automatizácie, TI
Hoci sa séria noriem IEEE 802.3 naďalej vyvíja, neexistuje žiadna explicitná špecifikácia času, ktorý dátový paket potrebuje na prechod PHY. Latencia však môže priamo ovplyvniť-aplikácie automatizácie výroby v reálnom čase. Keďže latencia nie je ani definovaná hodnota pre Ethernet špecifikovaná štandardom IEEE 802.3, ani inherentná synchrónna alebo opakovateľná hodnota Ethernetu, preto sa odpojenie medzi Ethernetom a aplikáciami na automatizáciu výroby musí riešiť pomocou starostlivej architektúry zariadení fyzickej vrstvy Ethernet (PHY).
Bez ohľadu na topológiu siete alebo priemyselné protokoly majú tieto protokoly spoločný cieľ: poskytnúť presnú kontrolu nad rôznymi uzlami v priemyselnej sieti. Dá sa to dosiahnuť časovým-označením prenášaných a prijatých paketov a použitím týchto časových pečiatok na synchronizáciu času siete medzi sieťovými uzlami. Čas siete je zdieľaný protokolom v rámci paketových dát a jednotka časovej pečiatky každého uzla označuje tento čas. Akákoľvek zmena časovej pečiatky znižuje presnosť systému. Dlhšie oneskorenia tiež obmedzujú frekvenciu, pri ktorej môžu pakety používať časové značky a obmedzujú počet povolených uzlov v sieti. Preto sa oneskorenia musia čo najviac minimalizovať.
Priemyselný Ethernet PHY - Dela
Pre aplikácie riadenia pohybu v priemyselnej automatizácii, ktoré vyžadujú presné riadenie, musia byť časy cyklov zvyčajne v desiatkach mikrosekúnd. Na týchto úrovniach je oneskorenie cez každý komponent v sieti kritické. Riadenie oneskorenia ethernetovej fyzickej vrstvy (PHY) je veľmi kritickým limitujúcim faktorom pre čas cyklu.
V štandardoch Ethernet, ako sú 1000Base{1}}T a 100Base-TX, môžu PHY s nižšou prevádzkovou latenciou skrátiť čas cyklu. Nižšia latencia môže zvýšiť čas cyklu na rovnakú úroveň ako rýchlejšia prenosová rýchlosť Ethernet, čím sa efektívne zvýši šírka pásma siete. V súčasnosti väčšina priemyselných ethernetových aplikácií funguje na 100Base-TX Ethernete, ale mnohé aplikácie začínajú prechádzať na 1000Base-T, ktorý ponúka vyššiu šírku pásma. PHY s nižšou latenciou efektívne zvyšuje šírku pásma siete a tiež uľahčuje prechod Ethernetu na vyššiu rýchlosť prenosu dát.
PHY vnútorný dizajn, TI
V sieťach Ethernet, ako sú 1000Base-T a 100Base{3}}TX, môže PHY s nižšou prevádzkovou latenciou skrátiť čas cyklu. Nižšia latencia môže predĺžiť čas cyklu na rovnakú úroveň ako rýchlejšia prenosová rýchlosť Ethernet, čo efektívne zvyšuje šírku pásma siete. V súčasnosti väčšina priemyselných ethernetových aplikácií funguje na 100Base-TX Ethernete, ale mnohé aplikácie začínajú prechádzať na 1000Base-T, ktorý ponúka vyššiu šírku pásma. PHY s nižšou latenciou účinne zvyšujú šírku pásma siete a tiež uľahčujú prechod Ethernetu na vyššie prenosové rýchlosti.
Ďalšie výzvy pre PHY vo vývoji priemyselného Ethernetu
V priemyselných prostrediach je ťažké kontrolovať teplotu a prísnejšie teplotné podmienky zvyšujú zložitosť PHY dizajnu. PHY musí byť schopný vykonávať svoju menovitý výkon v širokom rozsahu teplôt. Vo všeobecnosti by priemyselný Ethernet PHY mal byť schopný pracovať v teplotnom rozsahu -40 až 85 stupňov a vydržať maximálnu teplotu spojenia 125 stupňov.
Spotreba energie je tiež vždy kritickým faktorom, najmä v gigabitových PHY, kde spotreba energie môže výrazne ovplyvniť celkovú spotrebu energie systému. Rozpočet energie pridelený fyzickej vrstve Ethernetu je obmedzený a každé prepojené zariadenie vyžaduje dve fyzické vrstvy Ethernetu, takže spotreba energie musí byť dostatočne nízka, aby splnila požiadavky na konektivitu celého zariadenia. Niektorí výrobcovia sa rozhodnú pre prevádzku s duálnym-napájaním popri nízko{3}}energetických PHY, aby dosiahli ešte nižšiu spotrebu energie.
Zhrnutie
Keďže zložitosť systémov automatizácie továrne neustále rastie, zvyšuje sa dopyt po prenose väčšieho množstva údajov medzi uzlami, a preto je čoraz dôležitejšie udržiavať vysoko{0}}výkonné pripojenie v rámci tovární. Hardvérové pripojenia PHY, ktoré nie sú ovplyvnené drsným priemyselným prostredím, sú veľmi cenné pre implementáciu priemyselných internetových sietí.