Conectividade industrial com Ethernet de par único

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

Tradicionalmente, as aplicações industriais têm sido alvo de tecnologias de fieldbus mais antigas, como Profibus, Modbus, CAN e outras. Essas tecnologias são normalmente baseadas em cabeamento de par trançado e geralmente estão no nível de desempenho de 1 Mbps ou menos. No mundo industrial, o custo é tudo. Portanto, a fiação para sensores e atuadores precisa ser barata e de longa duração. Portanto, a 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). O I4 é caracterizado pelo uso de comunicações máquina a máquina (M2M) em larga escala e pela implantação da Internet das Coisas (IoT) para aumentar a automação. O objetivo dessa tendência é a implantação de dispositivos inteligentes que podem operar, analisar dados e agir sem intervenção humana. A chave para o sucesso do I4 é baseada na conectividade e desempenho com um mínimo de traduções intermediárias dos sinais que podem introduzir latência. Além disso, o elemento IoT geralmente se concentra na capacidade de comunicar perfeitamente os dados do sensor até a nuvem. Em nosso mundo atual, isso implica o uso da pilha de protocolos IP.

Infelizmente, nenhuma das tecnologias tradicionais de fieldbus normalmente 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 o custo. E, como a maioria dessas tecnologias fieldbus são relativamente lentas em comparação com as comunicações modernas, como Wi-Fi ou 5G Cellular, é necessária uma nova abordagem para suportar os crescentes requisitos de comunicação do I4.

Aproveitando os avanços automotivos

No mundo automotivo, estamos vendo uma explosão na quantidade de dados necessários para sensores encontrados em Sistemas Avançados de Assistência ao Condutor (ADAS). Assim como as aplicações industriais tradicionais, as aplicações automotivas contam com tecnologias fieldbus como CAN para comunicações entre a Unidade de Controle Eletrônico (ECU) e sensores/atuadores como freios antitravamento, 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 as várias alimentações de câmera, radares e lidar do veículo moderno equipado com ADAS. O que as aplicações automotivas precisam é de um recurso de rede confiável e de alta velocidade que reduza o tempo de colocação no mercado de novos recursos e reduza o 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, veremos que a Ethernet é uma tecnologia dominante, mesmo à luz dos protocolos sem fio. Ethernet é o backbone que oferece desempenho garantido em taxas de dados de até 400 Gbps dentro da infraestrutura de nuvem. No entanto, a Ethernet tradicional normalmente usa fiação de dois ou quatro pares ou fibra ótica. Quando comparado ao barramento CAN de par único, o 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). Portanto, uma Ethernet de par único que pudesse lidar com taxas de dados na faixa de 1 Gbps seria ideal. Digite xBASE-T1 Ethernet de par único (SPE).

Padronizando SPE

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

A implementação original do 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/s, esse padrão era muito mais rápido do que a abordagem baseada em coaxial original, mas usava uma topologia em estrela em vez de barramento da solução coaxial. Essa abordagem com fio em estrela exigia o uso de um hub centralizado conhecido como switch Ethernet que poderia lidar com a movimentação 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 100BASET, que suporta taxas de dados de até 100 Mbits/s. Com a introdução do Gigabit Ethernet (1000BASE-T), o número de pares de fios dobrou para quatro e as taxas de dados aumentaram em uma ordem de magnitude.

Além das mudanças nas taxas de dados, uma técnica conhecida como Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.at-2009) introduziu vários meios alternativos para fornecer energia no mesmo cabo Ethernet dos dados. Suportando a 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 a entrega de até 50 W a 12, 24 ou 48 VCC. O PoDL foi desenvolvido especificamente para o mercado xBASE-T1 SPE e permite que dados e energia sejam fornecidos por meio de 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 os principais recursos dessas 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 dos tipos de conector). Uma das muitas vantagens da especificação SPE é que ela pode usar os cabos de fieldbus de par trançado único existentes. Esta é uma enorme economia para aplicações industriais. E, com a adição do PoDL, o dispositivo remoto pode suportar comunicações e ser alimentado pelo mesmo segmento de cabo. Como benefício adicional, a taxa de dados de 10 Mbit/s é significativamente mais rápida do que as implementações de fieldbus que devem ser substituídas.

Enquanto a variante T1L é voltada para aplicações ponto a ponto, há também uma variante de “curto alcance” (10BASE-T1S) que é conectada como uma implementação multi-drop para substituir versões comuns de fieldbus, como loop de corrente de 20 mA e CAN . O alcance dos sabores T1S é significativamente reduzido para 25 m. Mas, o uso de multi-drop permite um único cabo executado com uma interface de porta única para o PHY de acesso à mídia.

A fim de suportar o acesso multi-drop e evitar uma possível contenção no cabo, existem duas abordagens. O primeiro está usando o Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) que remonta às implementações Ethernet originais da década de 1980. Nesta abordagem, cada estação primeiro escuta o tráfego no barramento antes de transmitir. No caso de várias estações tentarem transmitir ao mesmo tempo, a colisão é detectada, cada estação para de transmitir, espera um curto período de tempo aleatório e, em seguida, o processo se repete com a escuta de um barramento ocioso e a tentativa de transmissão novamente. Esta é uma abordagem simples, mas adiciona um elemento estocástico às comunicações, que introduzirá latência.

Se a aplicação for particularmente sensível à latência, um mecanismo alternativo de prevenção de colisão de camada física (PLCA) pode ser adicionado ao CSMA/CD, onde uma estação é designada como mestre, que envia um sinalizador que permite que apenas a estação designada no sinalizador transmit (um pouco como uma implementação de token ring). Isso facilita a determinação fornecendo um slot designado para cada estação e evitando o potencial de colisões à medida que o número de estações aumenta para o máximo de 31 estações. Deve-se notar que o PoDL ainda não está definido para uso em aplicativos multi-drop.

Ethernet é Ethernet

Uma das vantagens significativas do SPE é que, em última análise, é Ethernet. Portanto, no que diz respeito às pilhas de protocolos, o SPE é como qualquer outro segmento Ethernet. Isso significa que você pode usar facilmente os protocolos IPv4/IPv6 sobre a implementação do SPE. Isso economiza muito tempo no desenvolvimento de software, pois as equipes de software podem usar APIs padrão baseadas em IP para comunicações. Não há necessidade de conversão de protocolo de uma das variantes de fieldbus para IP e vice-versa, reduzindo assim a latência e eliminando o custo do dispositivo conversor de protocolo.

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

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

Perspectivas

A SPE está pronta para desempenhar um papel significativo na Indústria 4.0. A SPE Industrial Partner Network 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 plantas de cabos existentes, fornecer energia e ser compatível com software com as implementações tradicionais de Ethernet do tipo TI, o SPE oferece um caminho de atualização de custo relativamente baixo para substituir sensores e atuadores com fio à medida que os sistemas existentes envelhecem . A SPE é o futuro da automação industrial e automotiva? Certamente tem potencial.

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