V današnjih industrijskih okoljih v industrijskih sistemih prevladujejo zapletene avtomatizacijske arhitekture in širok nabor proizvodnih tehnologij, ki so vsi povezani prek industrijskih omrežij. Stabilna omrežna povezava je ključnega pomena za normalno delovanje industrijskih sistemov.
Za razliko od uvajanja Etherneta v komercialna ali potrošniška okolja predstavljajo industrijska okolja Ethernet dodatne fizične in elektromagnetne izzive. Industrijski-Ethernet PHY imajo izjemno stroge zahteve glede temperaturne tolerance, napetostnih sunkov, zahtev glede zakasnitve in hitrosti omrežja.
Vpliv zakasnitve na industrijsko avtomatizacijo
V industrijskih sistemih Ethernet obstaja veliko virov zamude. Nekatere zamude povzročajo fizične povezave, običajno ožičenje in povezave tiskanega vezja. Podatki imajo tudi zamude, ko gredo skozi PHY, MAC, stikala in druge komponente v omrežni povezavi. Zakasnitev je tudi pomemben referenčni indikator pri izbiri PHY.
Arhitektura omrežja industrijske avtomatizacije, TI
Čeprav se serija standardov IEEE 802.3 še naprej razvija, ni izrecne specifikacije za čas, ki je potreben, da podatkovni paket prečka PHY. Vendar lahko zakasnitev neposredno vpliva-na aplikacije za tovarniško avtomatizacijo. Ker zakasnitev ni definirana vrednost za Ethernet, določena s standardom IEEE 802.3, niti lastna sinhrona ali ponovljiva vrednost Etherneta, je treba prekinitev povezave med Ethernetom in aplikacijami za tovarniško avtomatizacijo obravnavati s skrbno arhitekturo naprav fizičnega sloja Ethernet (PHY).
Ne glede na topologijo omrežja ali industrijske protokole imajo ti protokoli skupen cilj: zagotoviti natančen nadzor nad različnimi vozlišči v industrijskem omrežju. To je mogoče doseči s časovnim-žigosanjem poslanih in prejetih paketov in uporabo teh časovnih žigov za sinhronizacijo omrežnega časa med omrežnimi vozlišči. Omrežni čas si deli protokol znotraj paketnih podatkov in enota časovnega žiga vsakega vozlišča označuje ta čas. Vsaka sprememba časovnega žiga zmanjša natančnost sistema. Daljše zamude tudi omejujejo pogostost, pri kateri lahko paketi uporabljajo časovne žige, in omejujejo število dovoljenih vozlišč v omrežju. Zato je treba zamude čim bolj zmanjšati.
Industrijski Ethernet PHY - Dela
Za aplikacije za nadzor gibanja v industrijski avtomatizaciji, ki zahtevajo natančen nadzor, morajo biti časi ciklov običajno v desetinah mikrosekund. Na teh ravneh je zamuda skozi vsako komponento v omrežju kritična. Nadzor zakasnitve fizične plasti Ethernet (PHY) je zelo pomemben omejevalni dejavnik za čas cikla.
V standardih Ethernet, kot sta 1000Base-T in 100Base-TX, lahko PHY z nižjo zakasnitvijo delovanja izboljšajo čas cikla. Manjša zakasnitev lahko poviša čas cikla na enako raven kot Ethernet s hitrejšo hitrostjo prenosa, kar učinkovito poveča pasovno širino omrežja. Trenutno večina industrijskih ethernetnih aplikacij deluje na 100Base-TX Ethernet, vendar veliko aplikacij začenja prehod na 1000Base-T, ki ponuja večjo pasovno širino. PHY z nižjo zakasnitvijo učinkovito poveča pasovno širino omrežja in tudi olajša prehod Etherneta na višje hitrosti prenosa podatkov.
Notranja zasnova PHY, TI
V omrežjih Ethernet, kot sta 1000Base-T in 100Base-TX, lahko PHY z nižjo zakasnitvijo delovanja izboljša čas cikla. Nižja zakasnitev lahko podaljša čas cikla na enako raven kot Ethernet s hitrejšo hitrostjo prenosa, kar učinkovito poveča pasovno širino omrežja. Trenutno večina industrijskih ethernetnih aplikacij deluje na 100Base-TX Ethernet, vendar veliko aplikacij začenja prehod na 1000Base-T, ki ponuja večjo pasovno širino. PHY z nižjo zakasnitvijo učinkovito povečajo pasovno širino omrežja in tudi olajšajo prehod Etherneta na višje hitrosti prenosa podatkov.
Drugi izzivi za PHY v razvoju industrijskega Etherneta
V industrijskih okoljih je temperaturo težko nadzorovati, strožji temperaturni pogoji pa še dodatno otežijo zasnovo PHY. PHY mora biti sposoben delovati pri nazivni zmogljivosti v širokem temperaturnem območju. Na splošno mora biti industrijski Ethernet PHY sposoben delovati v temperaturnem območju od -40 do 85 stopinj in prenesti največjo temperaturo spoja 125 stopinj.
Poraba energije je prav tako kritičen dejavnik v vsakem trenutku, zlasti v gigabitnih PHY, kjer lahko poraba energije znatno vpliva na skupno porabo energije sistema. Poraba energije, dodeljena fizičnemu sloju Ethernet, je omejena in vsaka medsebojno povezana naprava zahteva dve fizični plasti Ethernet, zato mora biti poraba energije dovolj nizka, da zadosti zahtevam povezljivosti celotne naprave. Nekateri proizvajalci se poleg nizko-PHY-jev odločijo za delovanje z dvojno-porabo energije, da dosežejo še nižjo porabo energije.
Povzetek
Ker kompleksnost sistemov za avtomatizacijo tovarn še naprej raste, se povečuje potreba po prenosu več podatkov med vozlišči, zaradi česar je vse bolj pomembno ohranjati visoko{0}}zmogljivo povezljivost znotraj tovarn. Povezave strojne opreme PHY, na katere težka industrijska okolja ne vplivajo, so zelo dragocene za izvajanje industrijskih internetnih omrežij.