Ethernet de Par Único: Conectividad Industrial Confiable

En un mundo con creciente dependencia en comunicaciones inalámbricas, el mundo cableado parece bastante pasado de moda. Sin embargo, en el IoT industrial (IIoT), los cables siguen siendo la norma. Hay varias razones para mantener la conectividad cableada en el entorno industrial, incluyendo interferencia RF, bandas de radio saturadas, requisitos de licenciamiento y simple capacidad de respuesta.

Tradicionalmente, las aplicaciones industriales han sido el objetivo de tecnologías fieldbus más antiguas como Profibus, Modbus, CAN y otras. Estas tecnologías se basan típicamente en cableado de par trenzado y generalmente están en el nivel de rendimiento de 1 Mbps o menos. En el mundo industrial, el costo es todo. Por lo tanto, el cableado a sensores y actuadores necesita ser económico y duradero. Por eso, el cableado de par trenzado único es la norma.

Sin embargo, estamos viendo la expansión de la cuarta revolución industrial, también conocida como Industria 4.0 (I4). I4 se caracteriza por el uso de comunicaciones máquina-a-máquina (M2M) a gran escala y el despliegue del Internet de las Cosas (IoT) para mayor automatización. El objetivo de esta tendencia es el despliegue de dispositivos inteligentes que puedan operar, analizar datos y tomar acción sin intervención humana. La clave del éxito de I4 se basa en conectividad y rendimiento con un mínimo de traducciones intermedias de señales que podrían introducir latencia. Además, el elemento IoT a menudo se centra en poder comunicar datos sin problemas desde el sensor hasta la nube. En nuestro mundo actual, esto implica el uso de la pila de protocolo IP.

Desafortunadamente, ninguna de las tecnologías fieldbus tradicionales típicamente pasan tramas IP. Esto significa que hay un requisito para cajas de traducción que traducen de tramas Profibus o CAN a IP y viceversa. Esto introduce latencia y aumenta el costo. Y, dado que la mayoría de estas tecnologías fieldbus son relativamente lentas en comparación con comunicaciones modernas como Wi-Fi o 5G Celular, se necesita un nuevo enfoque para soportar los crecientes requisitos de comunicaciones de I4.

Aprovechando los avances automotrices

En el mundo automotriz, estamos viendo una explosión en la cantidad de datos necesarios para sensores encontrados en Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor (ADAS). Al igual que las aplicaciones industriales tradicionales, las aplicaciones automotrices han dependido de tecnologías fieldbus como CAN para comunicaciones entre la Unidad de Control Electrónico (ECU) y sensores/actuadores como frenos antibloqueo, controles de emisiones y otros. Sin embargo, los límites de tasa de 1 Mbps para CAN o incluso las tasas de datos mejoradas para CAN-FD (hasta 5 Mbps) no son suficientes para las múltiples cámaras, radares y lidar del vehículo moderno equipado con ADAS. Lo que las aplicaciones automotrices necesitan es una capacidad de red confiable de alta velocidad que acorte el tiempo de comercialización para nuevas capacidades mientras reduce peso. Además, la capacidad de soportar IP dentro del vehículo facilitaría el desarrollo de software y minimizaría la necesidad de convertidores de protocolo.

Si tomamos una página del mundo de tecnología de la información, veríamos que Ethernet es una tecnología muy dominante incluso a la luz de protocolos inalámbricos. Ethernet es la columna vertebral que entrega rendimiento garantizado a tasas de datos hasta 400 Gbps dentro de la infraestructura en la nube. Sin embargo, Ethernet tradicional típicamente usa cableado de dos o cuatro pares u óptica de fibra. Cuando se compara con el bus CAN de par único, el cableado Ethernet tradicional es más costoso, más pesado (en el caso de cableado de dos o cuatro pares), o menos robusto (en el caso de fibra óptica). Así que, un Ethernet de par único que pudiera manejar tasas de datos en el rango de 1 Gbps sería ideal. Entra xBASE-T1 Ethernet de Par Único (SPE).

Estandarizando SPE

El grupo de trabajo IEEE 802.3 es responsable de los estándares asociados con Ethernet. Originalmente estandarizado en 1983, Ethernet en sus muchas formas ha eclipsado tecnologías competidoras incluyendo ARCNET, FDDI y Token Ring. Originalmente basado en cable coaxial, Ethernet evolucionó al uso de cableado de par trenzado tanto blindado como no blindado y a principios de los 90 el conector RJ45 (8P8C) ubicuo se convirtió en un accesorio común en muchos dispositivos informáticos en TI.

La implementación original 10BASE-T dependía de dos pares de cables con un par diferencial usado para transmitir y un par diferencial usado para recibir. Limitado a 10 Mbits/seg, este estándar era mucho más rápido que el enfoque original basado en coax, pero usaba una topología de estrella en lugar de la topología de bus de la solución coax. Este enfoque cableado en estrella obligaba el uso de un concentrador centralizado conocido como switch Ethernet que podía manejar el movimiento de datos entre dispositivos conectados a los puertos del switch. Esta misma solución de cable de dos pares continuó con la introducción de Fast Ethernet, también conocido como 100BASET, que soporta tasas de datos hasta 100 Mbits/seg. Con la introducción de Gigabit Ethernet (1000BASE-T), el número de pares de cables se duplicó a cuatro y las tasas de datos saltaron un orden de magnitud.

Además de cambios en las tasas de datos, una técnica conocida como Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.at-2009) introdujo varios medios alternativos para entregar energía en el mismo cable Ethernet que los datos. Soportando la entrega de hasta 25.5 W a 48 VDC, PoE permitió alimentar dispositivos remotos como cámaras de vigilancia y puntos de acceso inalámbricos. Una versión posterior se conoce como Power over Data Lines (PoDL – IEEE 802.3bu-2016), que permite la entrega de hasta 50 W a 12, 24, o 48 VDC. PoDL fue desarrollado específicamente para el mercado xBASE-T1 SPE y permite que tanto datos como energía se entreguen a través de un solo par de cables.

Los estándares xBASE-T1 pueden desglosarseさらに en 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) y 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp). La siguiente tabla resume las características principales de estas variantes:

La "L" en 10BASE-T1L significa "long reach" (largo alcance) debido a su longitud de 1 km (muchas implementaciones pueden exceder 1 km dependiendo de la calidad del cable y tipos de conectores). Una de las muchas ventajas de la especificación SPE es que puede usar las tiradas de cable fieldbus de par trenzado único existentes. Esto es un enorme ahorro para aplicaciones industriales. Y, con la adición de PoDL, el dispositivo remoto puede soportar comunicaciones y ser alimentado sobre el mismo segmento de cable. Como beneficio adicional, la tasa de datos de 10 Mbit/seg es significativamente más rápida que las implementaciones fieldbus que pretende reemplazar.

Mientras que la variante T1L está dirigida a aplicaciones punto a punto, también hay una variante "short reach" (10BASE-T1S) que se cablea como una implementación multi-drop para reemplazar versiones comunes de fieldbus como bucle de corriente de 20 mA y CAN. El alcance de los sabores T1S se acorta significativamente a 25 m. Pero, el uso de multi-drop permite una sola tirada de cable con una sola interfaz de puerto para el PHY de acceso al medio.

Para soportar el acceso multi-drop y evitar contención potencial en el cable, hay dos enfoques. El primero es usar Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) que recuerda a las implementaciones originales de Ethernet de los 80s. En este enfoque, cada estación primero escucha tráfico en el bus antes de transmitir. En el caso de que múltiples estaciones intenten transmitir al mismo tiempo, se detecta la colisión, cada estación deja de transmitir, espera una cantidad corta de tiempo aleatoria, y luego el proceso se repite escuchando un bus inactivo e intentando transmitir de nuevo. Este es un enfoque simple, pero agrega un elemento estocástico a las comunicaciones, lo que introducirá latencia.

Si la aplicación es particularmente sensible a la latencia, un mecanismo alternativo de Evitación de Colisiones en Capa Física (PLCA) puede agregarse al CSMA/CD, donde una estación es designada maestra, que envía una baliza que permite solo a la estación designada en la baliza transmitir (algo así como una implementación token ring). Esto facilita la determinismo al proporcionar un slot designado para cada estación y evitando el potencial de colisiones a medida que el número de estaciones aumenta al máximo de 31 estaciones. Debe notarse que PoDL aún no está definido para uso en aplicaciones multi-drop.

Ethernet es Ethernet

Una de las ventajas significativas de SPE es que, en el análisis final, es Ethernet. Entonces, en lo que respecta a pilas de protocolos, SPE es como cualquier otro segmento Ethernet. Esto significa que puede usar fácilmente protocolos IPv4/IPv6 sobre la implementación SPE. Esto es un gran ahorro de tiempo en desarrollo de software, ya que los equipos de software pueden usar APIs basadas en IP estándar para comunicaciones. No hay requisito para conversión de protocolo de una de las variantes fieldbus a IP y viceversa, reduciendo así latencia y eliminando el costo del dispositivo convertidor de protocolo.

La detección automática de velocidad en el switch SPE también es una posibilidad al igual que el switch Ethernet típico de cuatro pares. Por lo tanto, un switch podría manejar segmentos 10BASE-T1, 100BASE-T1 y 1000 BASE-T1, así como soportar interfaces Ethernet tradicionales de dos o cuatro pares para depuración o interfaz con hardware TI tradicional como PCs de panel. El switch también podría soportar PoDL para alimentar dispositivos remotos si es necesario.

Para evitar mezclar inadvertidamente segmentos SPE y Ethernet tradicionales, SPE usa el conector IEC 63171-6. Este conector es un estándar abierto y está disponible en versiones IP20 y IP65/67. Los fabricantes proveen el conector en inserción estándar, push/pull y caras de acoplamiento tipo tornillo. Además, hay opciones para conectores M8 y M12 encontrados en implementaciones fieldbus existentes.

Perspectivas

SPE está preparado para jugar un papel significativo en la Industria 4.0. La Red Industrial de Socios SPE ya consiste en más de 30 fabricantes que proveen cables, ensamblajes, silicio PHY, switches Ethernet y dispositivos de evaluación. Con la capacidad de proporcionar mayor rendimiento, utilizar plantas de cable existentes, proporcionar energía y ser compatible por software con implementaciones Ethernet tipo TI tradicionales, SPE proporciona una ruta de actualización de bajo costo relativamente para reemplazar sensores y actuadores cableados a medida que los sistemas existentes envejecen. ¿Es SPE el futuro de la automatización industrial y automotriz? Ciertamente tiene el potencial.

Este artículo fue escrito por Mike Anderson, Líder de Proyecto Senior — Arquitecto de Sistemas Embebidos, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Para más información, contacte al Sr. Anderson en michael.e.anderson@aero.org o visite .