Conectividad industrial con Ethernet de un solo par

En un mundo que depende cada vez más de las 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 por cable en el entorno industrial, incluidas la interferencia de RF, las bandas de radio saturadas, los requisitos de licencia y la capacidad de respuesta simple.

Tradicionalmente, las aplicaciones industriales han sido el objetivo de las tecnologías de bus de campo más antiguas, como Profibus, Modbus, CAN y otras. Estas tecnologías generalmente se basan en cableado de par trenzado y generalmente tienen un nivel de rendimiento de 1 Mbps o menos. En el mundo industrial, el costo lo es todo. Por lo tanto, el cableado de los sensores y actuadores debe ser económico y duradero. Por lo tanto, el cableado de un solo par trenzado es la norma.

No obstante, estamos viendo la expansión de la cuarta revolución industrial, también conocida como Industria 4.0 (I4). I4 se caracteriza por el uso de comunicaciones de máquina a máquina (M2M) a gran escala y el despliegue de Internet de las cosas (IoT) para una mayor automatización. El objetivo de esta tendencia es el despliegue de dispositivos inteligentes que puedan operar, analizar datos y actuar sin intervención humana. La clave del éxito de I4 se basa en la conectividad y el rendimiento con un mínimo de traducciones intermedias de las señales que podrían introducir latencia. Además, el elemento IoT a menudo se centra en poder comunicar sin problemas los datos desde el sensor hasta la nube. En nuestro mundo actual, esto implica el uso de la pila de protocolos IP.

Desafortunadamente, ninguna de las tecnologías de bus de campo tradicionales suele pasar tramas IP. Esto significa que existe un requisito para las cajas traductoras que traducen desde tramas Profibus o CAN a IP y viceversa. Esto introduce latencia y aumenta el costo. Y, dado que la mayoría de estas tecnologías de bus de campo son relativamente lentas en comparación con las comunicaciones modernas, como Wi-Fi o 5G Cellular, se necesita un nuevo enfoque para respaldar los crecientes requisitos de comunicaciones de I4.

Aprovechamiento de los avances automotrices

En el mundo automotriz, estamos viendo una explosión en la cantidad de datos necesarios para los sensores que se encuentran en los Sistemas Avanzados de Asistencia al Conductor (ADAS). Al igual que las aplicaciones industriales tradicionales, las aplicaciones automotrices se han basado en tecnologías de bus de campo 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 velocidad de 1 Mbps para CAN o incluso las velocidades de datos mejoradas para CAN-FD (hasta 5 Mbps) no son suficientes para las múltiples cámaras, radares y lidar de los vehículos modernos equipados con ADAS. Lo que necesitan las aplicaciones automotrices es una capacidad de conexión en red confiable y de alta velocidad que acorte el tiempo de comercialización de nuevas capacidades al mismo tiempo que reduce el 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 la tecnología de la información, veríamos que Ethernet es una tecnología dominante, incluso a la luz de los protocolos inalámbricos. Ethernet es la columna vertebral que ofrece un rendimiento garantizado a velocidades de datos de hasta 400 Gbps dentro de la infraestructura de la nube. Sin embargo, la Ethernet tradicional generalmente usa cableado de dos o cuatro pares o fibra óptica. En comparación con el bus CAN de un solo par, el cableado Ethernet tradicional es más caro, más pesado (en el caso del cableado de dos o cuatro pares) o menos robusto (en el caso de la fibra óptica). Por lo tanto, sería ideal una Ethernet de un solo par que pudiera manejar velocidades de datos en el rango de 1 Gbps. Introduzca xBASE-T1 Ethernet de par único (SPE).

Estandarización de SPE

El grupo de trabajo IEEE 802.3 es responsable de los estándares asociados con Ethernet. Originalmente estandarizado en 1983, Ethernet en sus múltiples formas ha eclipsado a las tecnologías de la competencia, incluidas ARCNET, FDDI y Token Ring. Basado originalmente en cable coaxial, Ethernet evolucionó hacia el uso de cableado de par trenzado blindado y no blindado y, a principios de la década de 1990, el omnipresente conector RJ45 (8P8C) se convirtió en un accesorio común en muchos dispositivos informáticos en TI.

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

Además de los 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. Admitiendo la entrega de hasta 25,5 W a 48 V CC, PoE permitió alimentar dispositivos remotos como cámaras de vigilancia y puntos de acceso inalámbrico. 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 VCC. PoDL se desarrolló específicamente para el mercado xBASE-T1 SPE y permite que tanto los datos como la energía se entreguen a través de un solo par de cables.

Los estándares xBASE-T1 se pueden dividir 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 "largo alcance" debido a su longitud de 1 km (muchas implementaciones pueden superar 1 km según la calidad del cable y los tipos de conector). Una de las muchas ventajas de la especificación SPE es que puede utilizar los tramos de cable de bus de campo de par trenzado único existentes. Este es un gran ahorro para aplicaciones industriales. Y, con la adición de PoDL, el dispositivo remoto puede admitir comunicaciones y recibir alimentación a través del mismo segmento de cable. Como beneficio adicional, la velocidad de datos de 10 Mbit/s es significativamente más rápida que las implementaciones de bus de campo que pretende reemplazar.

Mientras que la variante T1L está dirigida a aplicaciones punto a punto, también hay una variante de "alcance corto" (10BASE-T1S) que está cableada como una implementación multipunto para reemplazar las versiones comunes de bus de campo, como el bucle de corriente de 20 mA y CAN . El alcance de los sabores T1S se reduce significativamente a 25 m. Sin embargo, el uso de multipunto permite un solo tendido de cable con una sola interfaz de puerto para el PHY de acceso a los medios.

Para admitir el acceso multipunto y evitar posibles conflictos en el cable, existen dos enfoques. El primero es usar Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) que se remonta a las implementaciones originales de Ethernet de la década de 1980. En este enfoque, cada estación primero escucha el tráfico en el bus antes de transmitir. En el caso de que varias estaciones intenten transmitir al mismo tiempo, se detecta la colisión, cada estación deja de transmitir, espera un breve período de tiempo aleatorio y luego el proceso se repite escuchando un bus inactivo e intentando la transmisión nuevamente. 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, se puede agregar un mecanismo alternativo de prevención de colisiones de capa física (PLCA) al CSMA/CD, donde una estación se designa como maestra, que envía una baliza que permite que solo la estación designada en la baliza transmitir (algo así como una implementación de token ring). Esto facilita la determinación al proporcionar un espacio designado para cada estación y evitar la posibilidad de colisiones a medida que el número de estaciones aumenta hasta el máximo de 31 estaciones. Cabe señalar que PoDL aún no está definido para su uso en aplicaciones multipunto.

Ethernet es Ethernet

Una de las ventajas significativas de SPE es que, en última instancia, es Ethernet. Entonces, en lo que respecta a las pilas de protocolos, SPE es como cualquier otro segmento de Ethernet. Esto significa que puede usar fácilmente los protocolos IPv4/IPv6 además de la implementación de SPE. Este es un gran ahorro de tiempo de desarrollo de software, ya que los equipos de software pueden usar API estándar basadas en IP para las comunicaciones. No hay ningún requisito para la conversión de protocolo de una de las variantes de bus de campo a IP y viceversa, lo que reduce la latencia y elimina el costo del dispositivo convertidor de protocolo.

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

Para evitar mezclar accidentalmente SPE y segmentos Ethernet tradicionales, SPE utiliza el conector IEC 63171-6. Este conector es un estándar abierto y está disponible en versiones IP20 e IP65/67. Los fabricantes proporcionan el conector en caras de acoplamiento estándar de inserción, empujar/tirar y tipo tornillo. Además, hay opciones para conectores M8 y M12 que se encuentran en implementaciones de bus de campo existentes.

La Perspectiva

SPE está preparado para desempeñar un papel importante en la Industria 4.0. La red de socios industriales de SPE ya consta de más de 30 fabricantes que proporcionan cables, ensamblajes, silicio PHY, conmutadores Ethernet y dispositivos de evaluación. Con la capacidad de proporcionar un mayor rendimiento, utilizar las plantas de cable existentes, proporcionar energía y ser compatible con el software con las implementaciones tradicionales de Ethernet de tipo TI, SPE proporciona una ruta de actualización de costo relativamente bajo para reemplazar los sensores y actuadores cableados a medida que los sistemas existentes caducan. . ¿Es SPE el futuro de la automatización industrial y la automoción? Ciertamente tiene el potencial.

Este artículo fue escrito por Mike Anderson, líder de proyecto sénior:arquitecto de sistemas integrados, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Anderson en michael.e.anderson@ aero.org o visite aquí .