Ethernet na krawędzi sieci przemysłowych

Ethernet jednoparowy lub w skrócie SPE definiuje jedynie część nadawczo-odbiorczą (transceiver) urządzenia ethernetowego, a wszystkie wyższe warstwy protokołu bez względu na szybkość pozostają niezmienione. SPE jest również opisywany jako T1, co oznacza jedną parę przewodów z transmisją różnicową. Niektóre aplikacje sieciowe używają do transmisji skrętki, inne zwykłego kabla płaskiego. Aby to było możliwe, standard IEEE definiuje charakterystykę kanału transmisyjnego pod względem jego parametrów elektrycznych, a nie konkretnych przewodów.

Dla SPE zdefiniowano wiele schematów przepustowości. Pierwsza część nazwy określa Mbit/s i tak 10BASE oznacza transfer 10 Mbit/s. Istnieją standardy dla 10BASE-T1S (S dla krótkiego zasięgu), 10BASE-T1L (L dla dużego zasięgu), 100BASE-T1, 1000BASE-T1, a nawet są zdefiniowane wyższe szybkości transmisji danych 2,5, 5 i 10 Gbit/s. SPE zmniejsza koszty systemu sieci poprzez zmniejszenie masy i złożoności okablowania.

Współczesne sieci w coraz większej mierze są definiowane programowo, a nie za pomocą sprzętu. Megatrendem jest łączenie wszystkich elementów sieci z użyciem Ethernetu w sposób taki jak:

• Specyficzne dla domeny architektury sprzętowe ustępują rozwiązaniom połączonym ze sobą oraz z scentralizowaną platformą obliczeniową.
• Wiele magistral specyficznych dla aplikacji zostaje zastąpionych siecią Ethernet opartą na protokole IP.
• Bramy lub translatory protokołów, czyli kontrolery wymagane do translacji między różnymi platformami sprzętowymi i urządzenia wymagające prowadzenia skomplikowanego okablowania dzięki Ethernetowi SPE są niepotrzebne.

Wszystko to skutkuje możliwością budowy wydajnej, elastycznej sieci, która jest w stanie sprostać potrzebom odbiorców przemysłowych.

Ethernet umożliwia stworzenie połączonej infrastruktury Cloud-to-Edge, w której klasyczne sieci IT znajdują się "na górze" i umożliwiają komunikację na najwyższym poziomie, a niżej położone w hierarchii sieci operacyjne (OT) są wykorzystywane w budynkach do sterowania procesami i maszynami. Na krawędzi znajdują się czujniki, siłowniki, przełączniki i inne komponenty niskiego poziomu. Ethernet realizuje wspólny sposób łączenia i komunikowania się ze wszystkimi tymi komponentami w celu udostępnienia danych do wyższych poziomów. Ułatwia także konfigurowanie i sterowanie w bezpieczny sposób. Uwierzytelnianie, szyfrowanie i bezpieczne aktualizacje to coraz ważniejszy aspekt dzisiejszych wymagań sieciowych.

Microchip jest wiodącym dostawcą układów do Ethernetu jednoparowego i członkiem komitetów technicznych zajmujących się opracowaniem standardów w IEEE. Microchip opracował kompleksowe portfolio rozwiązań układowych dla SPE, które są elastyczne i skalowalne. Bez względu na szybkość komunikacji, 10 Mb/s, 100 Mb/s czy 1000 Mb/s, dostępne są układy PHY, MAC-PHY lub switche ethernetowe, które obsługują pojedynczą parę przewodów do przesyłania danych.

Współtwórca standardu

W 2019 roku został opublikowany standard IEEE 802.3cg, a firma Microchip była jednym z wiodących jego twórców w ramach IEEE. Został on opracowany dla umożliwienia rozszerzenia sieci ethernetowej na krawędź sieci operacyjnej OT. Istniejące systemy miały przepustowość rzędu setek kilobitów na sekundę, więc przejście do przedziału megabitów na sekundę zapewnia przestrzeń do rozwoju technologii w przyszłości. Standard wykorzystuje komunikację półdupleksową i pozwala na elastyczną topologię konfiguracji, od punkt-punkt po wielopunktową, w której wiele urządzeń łączy się z linią magistrali składającą się z jednej pary przewodów.

Z kolei nowy 10BASE-T1S wykorzystuje pojedynczą zbalansowaną parę przewodów, którą może tworzyć skrętka kablowa, kabel płaski lub nawet dwie równoległe ścieżki na płytce drukowanej. Dzięki temu definiowana przez niego warstwa fi- zyczna stwarza nowe możliwości rozwoju dla firm korzystających z systemów w całości opartych na sieci Ethernet.

Możliwe jest też ograniczenie kosztów, ponieważ 10BASE-T1S wykorzystuje proste komponenty sprzętowe, nieskomplikowane oprogramowanie i okablowanie. Nowy kontroler Ethernetu 10BASE-T1S MAC-PHY, który jest już dostępny w sprzedaży, umożliwia podłączenie do sieci nawet najprostszych mikrokontrolerów. Co więcej, 10BASE-T1S eliminuje potrzebę stosowania bram (gateways), które wcześniej były niezbędne do translacji protokołów z różnych systemów sprzętowych. Możliwość pracy sieci w topologii wielopunktowej (multidrop) zmniejsza liczbę wymaganych portów w switchach, ponieważ wiele urządzeń można połączyć pojedynczą magistralą.

Korzystanie z dopracowanych mechanizmów zapewnienia bezpieczeństwa i jednakowych interfejsów Ethernetu zmniejsza ryzyko nadużyć podczas tworzenia aplikacji działających na krawędzi sieci przemysłowych. Są one doskonale znane przez liczne grono projektantów i wdrożeniowców, a wszelkie problemy można szybko wykryć i rozwiązać, gdyż nad rozwojem technologii pracuje wiele osób. Działy projektowania, rozwoju oprogramowania, testowania i utrzymania w ruchu na wszystkich poziomach sieci OT i IT wykorzystują jednakowe mechanizmy komunikacji, co ułatwia kontrolę sieci.

Microchip oferuje pełną gamę układów do realizacji funkcji SPE PHY działających z prędkością od 10 Mbit/s do 1000 Mbit/s. Wszystkie działają w przemysłowym zakresie temperatur, zapewniają duży zasięg i mają zaawansowane funkcje bezpieczeństwa. Kompletne rozwiązania systemów sieciowych SPE można realizować za pomocą dostępnej szerokiej gamy switchy SPE w zakresie, w którym dostępne są inteligentne rozwiązania scalone obsługujące Time Sensitive Networking (TSN), także ze zintegrowanym SPE PHY. Najnowsze wersja to pierwszy w branży jednoukładowy switch SPE z obsługą TSN, ze zintegrowanym procesorem oraz pamięciami RAM i Flash. Dzięki niemu projektanci mogą szybko uruchomić obsługę SPE w swojej aplikacji bez konieczności posiadania specjalistycznej wiedzy w zakresie technologii T1 PHY lub specyfikacji AVB i TSN.

Henry Muyshondt, Microchip Technology

Microchip
www.microchip.com