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Analog Devices bietet PHYs für Single-Pair-Ethernet-Applikationen

Feldgeräte an Single-Pair-Erthernet anbinden
Analog Devices erweitert das Chronous-Industrial-Ethernet-Portfolio

Mit ADIN1100- und ADIN1110 bietet Analog Devices nun PHYs für Single-Pair-Ethernet-Applikationen, mit denen die Konnektivität der letzten Meile in der Prozess-, Fabrik- und Gebäudeautomatisierung realisiert werden kann. Damit lassen sich stromsparende Sensoren und Aktoren im Feld direkt an das Ethernet ankoppeln.

Fiona Treacy, Marketing Manager Industrial Ethernet Technology

Inhaltsverzeichnis
1. Konvergente IT/OT-Netzwerke
2. Ein 10BASE-T1L-MAC-PHY schafft Abhilfe
3. Welcher PHY erfüllt die Anforderungen?
4. Die wichtigsten Merkmale

Mit ADIN1100 und ADIN1110 erweitert das Unternehmen sein Chronous-Industrial-Ethernet-Portfolio um Lösungen, die lange Distanzen von der Edge bis zur Cloud überbrücken und darüber hinaus Echtzeit-Konfigurierbarkeit sowie einen geringen Energieverbrauch ermöglichen. Die Chronous-Chips unterstützen den 10BASE-T1L-Ethernet-Standard und ermöglichen so die Datenkommunikation von Feldgeräten auch an abgelegenen oder Gefahr bringenden Standorten in Prozess- und Gebäudeapplikationen. Viele Prozessanlagen und Gebäude zeichnen sich durch große Dimensionen aus. Durch die Bereitstellung dieser Long-Range-Industrial-Ethernet-Lösungen ermöglicht es Analog Devices seinen Kunden, eine zuverlässige Kommunikation über größere Entfernungen bis zur letzten Meile zu ermöglichen. Das gilt insbesondere für die Prozessindustrie.

Was leistet Ethernet 10BASE-T1L?

Die Chronous ADIN1100 und ADIN1110 Industrial Ethernet-Lösungen können Daten über 1,7 km bzw eine Meile durch ein einziges verdrilltes Ethernet-Kabel übertragen. Diese Kabel sind leicht sowie biegsamer als herkömmliche Ethernet-Kabel und ermöglichen die Wiederverwendung bestehenden Verkabelungsinfrastrukturen. Während der MAC PHY (ADIN1110) den Aufbau besonders stromsparender Systeme ermöglicht, beispielsweise für die Nachrüstung von Ethernet in Feldsensoren oder Aktoren, unterstützt der PHY (ADIN1100) Standard-Ethernet-Schnittstellen sowie den Einsatz in komplexeren Designs, die auf leistungsfähigen Prozessoren basieren.

Konvergente IT/OT-Netzwerke

Die Use Cases für Single-Pair-Ethernet 10BASE-T1L, darunter Ethernet-APL in der Prozessautomation, aber auch in der Fabrik- und Gebäudeautomation werden zukünftig an Bedeutung gewinnen, da eine wachsende Zahl von Geräten vernetzt werden muss. Damit können in den Management-Systemen umfangreichere Datenbestände ausgewertet und so erhebliche Produktivitätssteigerungen ermöglicht werden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Betriebskosten und Energieverbräuche senken.

Ethernet bietet die Perspektive, sämtliche Sensoren und Aktoren an ein konvergentes IT/OT-Netzwerk anzubinden. Dazu sind jedoch einige systemtechnische Herausforderungen zu lösen, da viele Sensoren bezüglich der Leistung und des Platzbedarfs eingeschränkt sind. Für Sensor- und Aktor-Anwendungen gibt es ein wachsendes Angebot an Low-Power- und Ultra-Low-Power-Mikrocontrollern mit internem Speicher. Viele dieser Prozessoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie aufgrund des fehlenden integrierten Ethernet-MAC kein MII-, RMII- oder RGMII-Media-Independent-Ethernet-Interface unterstützen. Ein konventioneller PHY lässt sich an diese Prozessoren somit nicht nutzen.

Ein 10BASE-T1L-MAC-PHY schafft Abhilfe

Um mehr Low-Power-Bausteine mit einer für große Distanzen geeigneten Ethernet-Verbindung auszustatten, ist ein 10BASE-T1L-MAC-PHY nötig. Dieser Baustein stellt die Ethernet-Anbindung des Prozessors per SPI her. Letzterer wird entlastet, weil kein integrierter MAC notwendig ist, denn die MAC-Funktionalität ist jetzt direkt in den 10BASE-T1L-PHY integriert. Dieser PHY bietet Geräte-Entwicklern damit mehr Flexibilität, da eine große Zahl von Ultra-Low-Power-Prozessoren in Frage unterstützt. Durch eine optimale Partitionierung der Applikation erlaubt ein 10BASE-T1L-MAC-PHY die Realisierung stromsparender Feldgeräte für eigensichere Zone-0-Anwendungen, als Ethernet-APL in der Prozessindustrie eingeführt.

Die integrierte MAC-Funktionalität in einen 10BASE-T1L-PHY stellt zusätzliche Features zur Optimierung des Datenverkehrs im Netzwerk zur Verfügung. Ein 10BASE-T1L-MAC-PHY mit erweiterter Paketfilterung reduziert den den beim Broadcast- und Multicast-Traffic entstehenden Aufwand. Entscheidend ist dabei das Filtern nach der Ziel-MAC-Adresse. Dabei unterstützt ein MAC-PHY das Filtern unter Verwendung von bis zu 16 Unicast- oder Multicast-MAC-Adressen. Zusätzlich ist eine Adressmaskierung für zwei MAC-Adressen möglich. Das Filtern nach der Geräte-Adresse sowie nach allgemein unterstützten Multicast-Adressen wie etwa LLDP (Link Layer Discovery Protocol) bietet ein hohes Maß an Flexibilität. Wird ein zusätzlicher Pfad für höhere Prioritäten unterstützt, lassen sich Nachrichten priorisieren und die Latenz optimieren, wobei sich die Priorität eines Frames anhand der MAC-Filtertabelle identifizieren lässt. Diese Filterfunktionen des MAC-PHYs ermöglicht die Entwicklung von Geräten, die hinsichtlich der Netzwerklast robust sind.

Der MAC im PHY unterstützt außerdem IEEE ?1588 und damit auch die Zeitsynchronisation gemäß 802.1AS. Vom MAC-PHY unterstützt werden auch ein synchronisierter Zähler, das Time Stamping empfangener Nachrichten und die Timestamp-Erfassung für zu sendende Nachrichten. Dies verringert die Komplexität des Software-Designs entscheidend, da über den MAC-PHY hinaus kein Hardware-Support mehr erforderlich ist, um die Zeitsynchronisation zu implementieren. Der MAC kann ein auf den synchronisierten Zähler abgestimmtes Ausgangssignal generieren, was zur Synchronisation externer Abläufe auf der Anwendungs-Ebene genutzt werden kann. Das SPI-Interface unterstützt das Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY-Serial-Interface. Das Open Alliance SPI ist ein effektives SPI-Protokoll, das eigens für die Verwendung mit einem MAC-PHY entwickelt wurde.

Welcher PHY erfüllt die Anforderungen?

Ein 10BASE-T1L-PHY sowie ein 10BASE-T1L-MAC-PHY bieten in unterschiedlichen Anwendungsfällen jeweils signifikante Vorteile. Kommt es auf den Stromverbrauch an, ermöglicht ein 10BASE-T1L-MAC-PHY die Senkung der Leistungsaufnahme, da er eine flexiblere Auswahl des Host-Prozessors erlaubt, denn damit kommen auch Ultra-Low-Power-Prozessoren ohne integrierten MAC in Betracht. Soll die Ethernet-Anbindung an einem bestehenden Gerät nachgerüstet werden, bietet ein 10BASE-T1L-MAC-PHY die Möglichkeit zur Weiterverwendung des vorhandenen Prozessors, indem die Ethernet-Anbindung über den SPI-Port realisiert wird. Der Umstieg auf einen leistungsfähigeren Prozessor mit integriertem MAC ist dann nicht notwendig.

In Anwendungen mit hohen Performance-Ansprüchen ist das Feldgerät möglicherweise bereits mit einem leistungsfähigen Prozessor mit integriertem MAC bestückt. Hier ist mit einem 10BASE-T1L-PHY mit MII-, RMII- und RGMII-MAC-Schnittstellen die schnelle Entwicklung einer 10BASE-T1L-Schnittstelle möglich. Dies geschieht durch Wiederverwendung der vorhandenen MAC-Schnittstellentreiber zum Nachrüsten der Ethernet-Konnektivität.

Für die Geräte-Entwickler bedeutet die Verfügbarkeit von 10BASE-T1L-PHYs und 10BASE-T1L-MAC-PHYs mehr Flexibilität, um die Anforderungen künftiger Fertigungsanlagen mit Ethernet-Konnektivität zu erfüllen. Geräte mit niedrigem Stromverbrauch und Geräte mit hoher Performance lassen sich in ein und demselben Ethernet-Netzwerk einrichten – unter Einhaltung der Leistungs-Obergrenzen für Anwendungen in Gefahrenbereichen. 10BASE-T1L-Power-Switches und 10BASE-T1L-Field-Switches für die Prozesstechnik verlangen nach der Verwendung robuster, stromsparender 10BASE-T1L-PHYs um in Verbindung mit industriellen Ethernet-Switches, eine Netzwerk-Topologie nach dem Trunk-and-Spur-Prinzip zu realisieren, das sowohl die Versorgungsspannung als auch die Daten über ein einziges Twisted-Pair-Kabel überträgt.

Für die Anbindung von Feldgeräten werden sowohl 10BASE-T1L-PHYs als auch 10BASE-T1L-MAC-PHYs benötigt, damit ein breites Spektrum von Feldgeräten mit einer Ethernet-Anbindung ausgestattet werden kann. Feldgeräte mit höherem Stromverbrauch, wie etwa Durchflussmesser, dürften bereits mit einem Hochleistungs-Prozessor mit integriertem MAC sowie einem 10BASE-T1L PHY ausgestattet sein. Feldgeräte mit niedrigerem Stromverbrauch, zu denen beispielsweise Temperatursensoren gehören, sind dagegen mit einem Ultra-Low-Power-Prozessor ohne integrierten MAC bestückt und greifen für die Ethernet-Konnektivität daher auf einen 10BASE-T1L MAC-PHY zurück, der via SPI mit dem Prozessor verbunden wird. (ge)

Kontakt:
Analog Devices GmbH
Otl-Aicher-Str. 60-64
80807 München
Tel: +49 89 76903 0
www.analog.com


Die wichtigsten Merkmale

Der ADIN1110, ein 10BASE-T1L MAC-PHY von ADI, ermöglicht die stromsparende Ethernet-Anbindung über ein SPI-Interface zum Host-Prozessor bei einer Leistungsaufnahme von nur 42 ?mW. Der Baustein unterstützt das Open Alliance 10BASE-T1x MAC-PHY Serial Interface für die Vollduplex-SPI-Kommunikation bei einer Taktfrequenz von 25 ?MHz. Der ADIN1100, ein 10BASE-T1L PHY von ADI, dient dagegen der stromsparenden Ethernet-Anbindung über MII-, RMII- und RGMII-MAC-Interfaces an einen Hostprozessor mit nur 39 ?mW Leistungsaufnahme. Beide Produkte eignen sich für 10BASE-T1L für die vollduplex-fähige, gleichspannungsfreie Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit PAM-3-Modulation bei einer Symbolrate von 7,5 ?MBaud mit 4B3T-Codierung. 10BASE-T1L unterstützt dabei zwei Amplituden-Modi: 2,4 Vss bei Kabellängen bis 1000 m und 1,0 Vss für kürzere Entfernungen, beispielsweise für APL.



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