I nutidens industrielle omgivelser er komplekse automationsarkitekturer og en bred vifte af fremstillingsteknologier udbredt i industrielle systemer, alle forbundet via industrielle netværk. En stabil netværksforbindelse er afgørende for normal drift af industrielle systemer.
I modsætning til udrulning af Ethernet i kommercielle eller forbrugermiljøer giver industrielle Ethernet-miljøer yderligere fysiske og elektromagnetiske udfordringer. Industrielle-Ethernet PHY'er har ekstremt strenge krav med hensyn til temperaturtolerance, spændingsstigninger, latenskrav og netværkshastighed.
Indvirkningen af latens på industriel automatisering
I industrielle Ethernet-systemer er der mange kilder til forsinkelse. Nogle forsinkelser skyldes fysiske forbindelser, typisk ledninger og PCB-forbindelser. Data oplever også forsinkelser, når de passerer gennem PHY, MAC, switche og andre komponenter i netværksforbindelsen. Forsinkelse er også en vigtig referenceindikator, når du vælger en PHY.
Industrial Automation Network Architecture, TI
Selvom IEEE 802.3-serien af standarder fortsætter med at udvikle sig, er der ingen eksplicit specifikation for den tid, det tager for en datapakke at krydse PHY. Latens kan dog direkte påvirke fabriksautomatiseringsapplikationer i realtid-. Da latency hverken er en defineret værdi for Ethernet specificeret af IEEE 802.3-standarden eller en iboende synkron eller gentagelig værdi af Ethernet, skal afbrydelsen mellem Ethernet og fabriksautomatiseringsapplikationer derfor løses gennem den omhyggelige arkitektur af Ethernet-enheder med fysiske lag (PHY'er).
Uanset netværkstopologi eller industrielle protokoller deler disse protokoller et fælles mål: at give præcis kontrol over forskellige noder på et industrielt netværk. Dette kan opnås ved at-tidsstemple sendte og modtagne pakker og bruge disse tidsstempler til at synkronisere netværkstid på tværs af netværksknuder. Netværkstid deles af protokollen i pakkedataene, og hver nodes tidsstempelenhed markerer det tidspunkt. Enhver ændring i tidsstemplet reducerer systemets nøjagtighed. Længere forsinkelser begrænser også den frekvens, hvormed pakker kan bruge tidsstempler og begrænser antallet af tilladte noder i netværket. Derfor skal forsinkelser minimeres mest muligt.
Industrielt Ethernet PHY - Dela
For motion control-applikationer inden for industriel automation, der kræver præcis styring, skal cyklustider typisk være i snesevis af mikrosekunder. På disse niveauer er forsinkelsen gennem hver komponent i netværket kritisk. Forsinkelsesstyringen af det fysiske Ethernet-lag (PHY) er en meget kritisk begrænsende faktor for cyklustiden.
I Ethernet-standarder såsom 1000Base-T og 100Base-TX kan PHY'er med lavere driftsforsinkelse forbedre cyklustiden. Lavere latenstid kan hæve cyklustiden til samme niveau som hurtigere transmissionshastighed Ethernet, hvilket effektivt øger netværksbåndbredden. I øjeblikket opererer de fleste industrielle Ethernet-applikationer på 100Base-TX Ethernet, men mange applikationer begynder at gå over til 1000Base-T, som tilbyder højere båndbredde. En PHY med lavere latenstid øger effektivt netværkets båndbredde og letter også overgangen af Ethernet til højere datahastigheder.
PHY internt design, TI
I Ethernet-netværk som 1000Base-T og 100Base-TX kan en PHY med lavere driftsforsinkelse forbedre cyklustiden. Lavere latenstid kan øge cyklustiden til samme niveau som hurtigere transmissionshastighed Ethernet, hvilket effektivt øger netværkets båndbredde. I øjeblikket opererer de fleste industrielle Ethernet-applikationer på 100Base-TX Ethernet, men mange applikationer begynder at gå over til 1000Base-T, som tilbyder højere båndbredde. PHY'er med lavere latency øger effektivt netværkets båndbredde og letter også overgangen af Ethernet til højere datahastigheder.
Andre udfordringer for PHY i udviklingen af industrielt Ethernet
Temperaturen er svær at kontrollere i industrielle miljøer, og strengere temperaturforhold bidrager til kompleksiteten af PHY-design. PHY skal kunne yde sin nominelle ydeevne over et bredt temperaturområde. Generelt bør industriel Ethernet PHY være i stand til at fungere i et temperaturområde på -40 til 85 grader og modstå en maksimal overgangstemperatur på 125 grader.
Strømforbrug er også en kritisk faktor til enhver tid, især i gigabit PHY'er, hvor strømforbruget kan påvirke systemets samlede strømforbrug markant. Strømbudgettet, der er allokeret til det fysiske Ethernet-lag, er begrænset, og hver sammenkoblet enhed kræver to fysiske Ethernet-lag, så strømforbruget skal være tilstrækkeligt lavt til at opfylde tilslutningskravene for hele enheden. Nogle producenter vælger dobbelt-strømdrift ud over lav-strøm-PHY'er for at opnå endnu lavere strømforbrug.
Oversigt
Efterhånden som kompleksiteten af fabriksautomatiseringssystemer fortsætter med at vokse, stiger efterspørgslen efter at overføre flere data mellem noder, hvilket gør det stadig vigtigere at opretholde høj-tilslutningsmuligheder inden for fabrikker. PHY hardwareforbindelser, der er upåvirket af barske industrielle miljøer, er meget værdifulde for implementering af industrielle internetnetværk.