Ethernet de Par Único: Conectividade Industrial Confiável

Em um mundo com dependência crescente em comunicações sem fio, o mundo cabeado parece bastante passado. No entanto, na IoT industrial (IIoT), fios ainda são a norma. Existem várias razões para manter conectividade cabeada no ambiente industrial incluindo interferência RF, bandas de rádio congestionadas, requisitos de licenciamento e simples responsividade.

Tradicionalmente, aplicações industriais têm sido alvo de tecnologias fieldbus mais antigas como Profibus, Modbus, CAN e outras. Essas tecnologias são tipicamente baseadas em fiação de par trançado e geralmente estão no nível de desempenho de 1 Mbps ou menos. No mundo industrial, custo é tudo. Então, fiação para sensores e atuadores precisa ser barata e duradoura. Portanto, fiação de par trançado único é a norma.

No entanto, estamos vendo a expansão da quarta revolução industrial, também conhecida como Indústria 4.0 (I4). I4 é caracterizada pelo uso de comunicações máquina-a-máquina (M2M) em larga escala e implantação da Internet das Coisas (IoT) para automação aumentada. O objetivo desta tendência é a implantação de dispositivos inteligentes que podem operar, analisar dados e agir sem intervenção humana. A chave para o sucesso da I4 baseia-se em conectividade e desempenho com um mínimo de traduções intermediárias dos sinais que poderiam introduzir latência. Além disso, o elemento IoT frequentemente centra-se em ser capaz de comunicar dados do sensor até a nuvem de forma contínua. No nosso mundo atual, isso implica o uso da pilha de protocolo IP.

Infelizmente, nenhuma das tecnologias fieldbus tradicionais tipicamente passa quadros IP. Isso significa que há um requisito para caixas tradutoras que traduzem de quadros Profibus ou CAN para IP e vice-versa. Isso introduz latência e aumenta custo. E, como a maioria dessas tecnologias fieldbus é relativamente lenta em comparação com comunicações modernas como Wi-Fi ou 5G Celular, uma nova abordagem é necessária para suportar os crescentes requisitos de comunicações da I4.

Aproveitando Avanços Automotivos

No mundo automotivo, estamos vendo uma explosão na quantidade de dados necessários para sensores encontrados em Sistemas Avançados de Assistência ao Motorista (ADAS). Como aplicações industriais tradicionais, aplicações automotivas confiaram em tecnologias fieldbus como CAN para comunicações entre a Unidade de Controle Eletrônico (ECU) e sensores/atuadores como freios ABS, controles de emissão e outros. No entanto, os limites de taxa de 1 Mbps para CAN ou mesmo as taxas de dados aprimoradas para CAN-FD (até 5 Mbps) não são suficientes para os múltiplos feeds de câmera, radares e lidar do veículo moderno equipado com ADAS. O que aplicações automotivas precisam é uma capacidade de rede confiável, de alta velocidade, que reduza o tempo de mercado para novas capacidades enquanto reduz peso. Além disso, a capacidade de suportar IP dentro do veículo facilitaria o desenvolvimento de software e minimizaria a necessidade de conversores de protocolo.

Se pegarmos uma página do mundo da tecnologia da informação, veríamos que Ethernet é muito uma tecnologia dominante mesmo à luz de protocolos sem fio. Ethernet é a espinha dorsal que entrega desempenho garantido em taxas de dados até 400 Gbps dentro da infraestrutura de nuvem. No entanto, Ethernet tradicional tipicamente usa fiação de dois ou quatro pares ou fibra óptica. Quando comparado ao barramento CAN de par único, cabeamento Ethernet tradicional é mais caro, mais pesado (no caso de fiação de dois ou quatro pares), ou menos robusto (no caso de fibra óptica). Então, um Ethernet de par único que pudesse lidar com taxas de dados na faixa de 1 Gbps seria ideal. Entre xBASE-T1 Ethernet de Par Único (SPE).

Padronizando SPE

O grupo de trabalho IEEE 802.3 é responsável pelos padrões associados ao Ethernet. Originalmente padronizado em 1983, Ethernet em suas muitas formas eclipsou tecnologias concorrentes incluindo ARCNET, FDDI e Token Ring. Originalmente baseado em cabo coaxial, Ethernet evoluiu para o uso de cabeamento de par trançado blindado e não blindado e no início dos anos 1990 o conector RJ45 (8P8C) onipresente tornou-se um acessório comum em muitos dispositivos de computação em TI.

A implementação original 10BASE-T dependia de dois pares de fios com um par diferencial sendo usado para transmissão e um par diferencial sendo usado para recepção. Limitado a 10 Mbits/seg, este padrão era muito mais rápido que a abordagem original baseada em coaxial, mas usava uma topologia em estrela em vez da topologia de barramento da solução coaxial. Esta abordagem com fiação em estrela mandava o uso de um hub centralizado conhecido como switch Ethernet que podia lidar com movimento de dados entre dispositivos conectados às portas do switch. Esta mesma solução de cabo de dois pares foi continuada com a introdução do Fast Ethernet, também conhecido como 100BASE-T, que suporta taxas de dados até 100 Mbits/seg. Com a introdução do Gigabit Ethernet (1000BASE-T), o número de pares de fios dobrou para quatro e as taxas de dados saltaram uma ordem de magnitude.

Além de mudanças nas taxas de dados, uma técnica conhecida como Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.3at-2009) introduziu vários meios alternativos para entregar energia no mesmo cabo Ethernet que os dados. Suportando entrega de até 25,5 W a 48 VDC, PoE permitiu alimentar dispositivos remotos como câmeras de vigilância e pontos de acesso sem fio. Uma versão posterior é conhecida como Power over Data Lines (PoDL – IEEE 802.3bu-2016), que permite entrega de até 50 W a 12, 24 ou 48 VDC. PoDL foi desenvolvido especificamente para o mercado xBASE-T1 SPE e permite que tanto dados quanto energia sejam entregues via um único par de fios.

Os padrões xBASE-T1 podem ser divididos em 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw) e 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp). A tabela a seguir resume as características principais destas variantes:

O "L" no 10BASE-T1L significa "longo alcance" devido ao seu comprimento de 1 Km (muitas implementações podem realmente exceder 1 Km dependendo da qualidade do cabo e tipos de conectores). Uma das muitas vantagens da especificação SPE é que ela pode usar as instalações de cabo fieldbus de par trançado único existentes. Isso é uma enorme economia para aplicações industriais. E, com a adição de PoDL, o dispositivo remoto pode suportar comunicações e ser alimentado sobre o mesmo segmento de cabo. Como benefício adicional, a taxa de dados de 10 Mbit/seg é significativamente mais rápida que as implementações fieldbus que se destina a substituir.

Enquanto a variante T1L é direcionada a aplicações ponto a ponto, também existe uma variante de "curto alcance" (10BASE-T1S) que é cabeada como uma implementação multi-drop para substituir versões comuns de fieldbus como loop de corrente 20 mA e CAN. O alcance dos sabores T1S é significativamente encurtado para 25 m. Mas, o uso de multi-drop permite uma única instalação de cabo com uma única interface de porta para o PHY de acesso à mídia.

Para suportar o acesso multi-drop e evitar contenção potencial no cabo, existem duas abordagens. A primeira é usando Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) que remonta às implementações originais de Ethernet dos anos 1980. Nesta abordagem, cada estação primeiro escuta tráfego no barramento antes de transmitir. No caso de múltiplas estações tentarem transmitir ao mesmo tempo, a colisão é detectada, cada estação para de transmitir, espera uma curta quantidade aleatória de tempo, e então o processo se repete com escuta por um barramento ocioso e tentativa de transmissão novamente. Esta é uma abordagem simples, mas adiciona um elemento estocástico às comunicações, que introduzirá latência.

Se a aplicação é particularmente sensível a latência, um mecanismo alternativo de Evitação de Colisão na Camada Física (PLCA) pode ser adicionado ao CSMA/CD, onde uma estação é designada como mestre, que envia um beacon que permite apenas a estação designada no beacon transmitir (algo como uma implementação token ring). Isso facilita determinismo fornecendo um slot designado para cada estação e evitando o potencial de colisões à medida que o número de estações aumenta até o máximo de 31 estações. Deve-se notar que PoDL ainda não é definido para uso em aplicações multi-drop.

Ethernet é Ethernet

Uma das vantagens significativas para SPE é que, na análise final, é Ethernet. Então, no que diz respeito a pilhas de protocolo, SPE é como qualquer outro segmento Ethernet. Isso significa que você pode facilmente usar protocolos IPv4/IPv6 sobre a implementação SPE. Isso é um grande economizador de tempo de desenvolvimento de software, pois as equipes de software podem usar APIs baseadas em IP padrão para comunicações. Não há requisito para conversão de protocolo de uma das variantes fieldbus para IP e volta, reduzindo assim latência e eliminando o custo do dispositivo conversor de protocolo.

Detecção automática de velocidade no switch SPE também é uma possibilidade assim como o switch Ethernet típico de quatro pares. Portanto, um switch poderia lidar com segmentos 10BASE-T1, 100BASE-T1 e 1000BASE-T1, bem como suportar interfaces Ethernet tradicionais de dois ou quatro pares para depuração ou interface com hardware de TI tradicional como PCs de painel. O switch também poderia suportar PoDL para alimentar dispositivos remotos se necessário.

Para evitar misturar inadvertidamente segmentos SPE e Ethernet tradicionais, SPE usa o conector IEC 63171-6. Este conector é um padrão aberto e está disponível em versões IP20 e IP65/67. Fabricantes estão fornecendo o conector em inserção padrão, push/pull e faces de acoplamento tipo parafuso. Além disso, existem opções para conectores M8 e M12 encontrados em implementações fieldbus existentes.

Perspectivas

SPE está posicionado para desempenhar um papel significativo na Indústria 4.0. A Rede de Parceiros Industriais SPE já consiste em mais de 30 fabricantes que fornecem cabos, montagens, silício PHY, switches Ethernet e dispositivos de avaliação. Com a capacidade de fornecer maior desempenho, utilizar instalações de cabo existentes, fornecer energia e ser compatível com software com implementações Ethernet tipo TI tradicionais, SPE fornece um caminho de atualização de custo relativamente baixo para substituir sensores e atuadores cabeados à medida que os sistemas existentes envelhecem. SPE é o futuro da automação industrial e automotiva? Certamente tem o potencial.

Este artigo foi escrito por Mike Anderson, Líder Sênior de Projeto — Arquiteto de Sistemas Embarcados, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Para mais informações, contate o Sr. Anderson em michael.e.anderson@aero.org ou visite aqui .