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Physical-Layer-Lösungen von Analog Devices für zeitkritische Kommunikation

Physical-Layer-Lösungen für zeitkritische Kommunikation
Robuste PHYs von Analog Devices

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Um die Herausforderungen von smarter Fabrik und Industrie 4.0 anzugehen, kommen zunehmend Ethernet-Verbindungen zum Einsatz. Gefordert werden Datenintegration und -synchronisierung, Edge-Connectivity und System-Interoperabilität. Mit Ethernet vernetzte Fabriken ermöglichen eine flexible und skalierbare Fertigung, da sie eine Verbindung zwischen IT und OT herstellen. Für die nahtlose und sichere Kommunikation sorgen sogenannte PHYs.

Maurice O´Brien, Strategic Marketing Manager, Industrial Connectivity, Analog Devices (ADI), Limerick, Irland

Inhaltsverzeichnis

1. Vergleich der IT- mit der OT-Vernetzung
2. Netzwerke über Anwendung hinaus synchronisierbar
3. Was ist ein Physical-Layer (PHY)?
4. Anforderungen an den Ethernet-Physical-Layer
5. EMV/ESD-Verhalten
6. Latenz eines Ethernet-PHYs
7. Skalierbarkeit der Ethernet-PHY-Datenrate
8. Technologie für industrielle Ethernet-PHYs
9. EMV/ESD-Funktionen des ADIN1300

Die vernetzte Fabrik lebt von einer skalierbaren und robusten Kommunikationsinfrastruktur. Heutige Netzwerke haben mit Problemen ständig steigender Datenlast und Herausforderungen an die Interoperabilität zu kämpfen. Denn es werden eine Unzahl an Protokollen eingesetzt, die komplexe, leistungshungrige Gateways benötigen, um den Datenverkehr in der Fabrik zu übersetzen. Das industrielle Ethernet löst diese Interoperabilitätsprobleme mit einem einzigen Netzwerk, in dem der wichtige Determinismus nahtlos an den Rand der Fabrik geliefert wird. Die fehlende Verfügbarkeit von Ethernet-PHYs, die speziell für raue Umgebungen entwickelt sind, war bis jetzt ein Problem. Die Entwickler industrieller Kommunikationsausrüstungen mussten sich zu lange mit physischen Standard-Ethernet-Schnittstellen behelfen, die für den Massenmarkt entwickelt waren und dadurch Kompromisse schließen. Im Zeitalter von Industrie 4.0, in dem die Anzahl von Edge-Knoten rapide ansteigt und Determinismus die Voraussetzung für eine vernetzte Fabrik ist, werden verbesserte, auf industrielle Belange angepasste Ethernet-PHYs immer wichtiger.

Vergleich der IT- mit der OT-Vernetzung

Aufgrund der Vorteile von gut unterstützten, skalierbaren und flexiblen Kommunikationslösungen mit hoher Bandbreite ist Ethernet die Kommunikation der Wahl in der IT-Welt. Als IEEE-Standard bietet es auch Vorteile bezüglich der Interoperabilität. Allerdings ist eine der Schlüsselanforderungen einer nahtlosen Ethernet-basierten Verbindung von IT- und OT-Netzwerken ihr Einsatz in einer rauen Umgebung, in der zeitkritische Verbindungen erforderlich sind.

Bei einer vernetzten Anwendung einer Bewegungssteuerung basierend auf einer industriellen Ethernet-Verbindung in einer smarten Fabrik sind die Mehrachsen-Synchronisation und präzise Bewegungssteuerung wichtig für eine hochwertige Fertigung. Die steigende Nachfrage nach höherem Produktionsausstoß und höherer Qualität treibt wiederum den Bedarf nach schnelleren Reaktionszeiten und höherer Genauigkeit der Servomotoren an. Diese gesteigerte Systemleistung erfordert eine noch bessere Synchronisation der Servomotor-Achsen. Heute wird in Bewegungssteuerungssystemen überwiegend 100-Mbit/s-Echtzeit-Ethernet eingesetzt. Allerdings betrifft die Synchronisierung nur den Datenverkehr zwischen dem Netzwerk-Master und den Slaves.

Netzwerke über Anwendung hinaus synchronisierbar

Netzwerke müssen über die Grenzen des Netzwerks hinaus in der Anwendung synchronisieren können, und zwar von unter 1 µs bis hinein in die PWM-Ausgänge der Servomotorsteuerung. Dies erhöht die Genauigkeit von Mehrachsen-Applikationen in der maschinellen Bearbeitung und der Fertigung, wie bei Robotern und CNC-Maschinen, basierend auf industriellem Gigabit-Ethernet mit höheren Datenraten mit IEEE 802.1 TSN (Time Sensitive Networking). Dies erlaubt es allen beteiligten Geräten, über ein konvergentes Netzwerk hoher Bandbreite und industrielle Echtzeit-Ethernet-Protokolle für eine Edge-to-Cloud-Verbindung vernetzt zu werden.

In einer industriellen Umgebung sind Robustheit und hohe Umgebungstemperaturen die Hauptherausforderungen für die Ethernet-Installateure. Lange Kabel sind von hohen Spannungsspitzen aus Motoren und Fertigungsequipment umgeben, die potenziell Daten verfälschen und Equipment zerstören können. Um ein industrielles Ethernet erfolgreich einzusetzen, besteht die Anforderung nach einer erweiterten Ethernet-Physical-Layer-Technik, die robust ist, wenig Strom verbraucht und eine geringe Latenz aufweist sowie problemlos in verrauschten und heißen Umgebungen arbeiten kann.

Was ist ein Physical-Layer (PHY)?

Ein industrieller Ethernet-PHY ist die physikalische Übertragungsschicht zum Senden und Empfangen von Protokollen basierend auf dem OSI-Modell. In diesem Schichtenmodell ist Ethernet durch den IEEE-Standard 802.3 definiert und deckt Layer 1 (die Bitübertragungsschicht) und teilweise Layer 2 (die Sicherungsschicht) ab. Die Bitübertragungsschicht spezifiziert die Art der elektrischen Signale, Geschwindigkeit der Signalgebung, die Übertragungsmedien und Netzwerk-Topologien. Sie beinhaltet die Ethernet-Teile der physikalischen Schicht der Standards 1000BASE-T (1000 Mbit/s), 100BASE-TX (100 Mbit/s über Kupferkabel) und 10 BASE-T (10 Mbit).

Die Sicherungsschicht (data link layer) spezifiziert, wie über das jeweilige Übertragungsmedium kommuniziert wird sowie die Rahmenstruktur der übertragenen und empfangenen Nachrichten. Das heißt einfach gesagt, wie die Bits aus dem Kabel und in ein Bit-Arrangement kommen, sodass die Daten aus dem Bitstrom extrahiert werden können. Media Access Control, oder kurz MAC, ist in einem Host-Prozessor oder Ethernet-Switch integriert. FIDO5100 und FIDO5200 sind zwei Beispiele für die eingebetteten industriellen Zwei-Port-Ethernet-Switches für Layer-2-Verbindungen, die Echtzeit-Multi-Protokoll-Verbindungen von industriellem Echtzeit-Ethernet unterstützen.

Anforderungen an den Ethernet-Physical-Layer

Über Ethernet vernetzte Geräte in industriellen Anwendungen sind häufig in hermetisch dichten IP66/IP67-Gehäusen eingebaut. Die IP-Auslegung beschreibt, wie widerstandsfähig ein elektrisches Gerät gegenüber dem Eindringen von Wasser, Schmutz, Staub und Sand ist. Die erste Zahl nach dem IP ist die Auslegung der IEC für den Widerstand eines Gerätes gegenüber soliden Partikeln. Die 6 in diesem Fall bedeutet, dass kein Staub oder Schmutz in das Gerät eingedrungen ist, nachdem es acht Stunden lang direkt mit diesem in Berührung war. Als nächstes gibt es die Auslegung, 6 und 7, für die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser. 6 definiert den Schutz bei einem kraftvollen Wasserstrahl und 7 bedeutet, dass das Gerät für 30 Minuten in bis zu einem Meter tiefem frischem Wasser getaucht werden kann. Mit derart versiegelten Gehäusen sind die Verlustleistung und hohe Umgebungstemperaturen wegen der eingeschränkten Wärmeabfuhr die beiden Hauptherausforderungen für Ethernet-PHY-Bausteine. Um das industrielle Ethernet einsetzen zu können, sind Ethernet-PHYs mit einer hohen Betriebstemperatur von bis zu 105 °C und sehr geringer Verlustleistung nötig.

Typische Ethernet-Netzwerke sind in Linien- oder Ringtopologien aufgebaut. Diese beiden Netzwerktopologien haben im Vergleich zu Sterntopologien kürzere Verdrahtungen und beim Ringnetzwerk einen redundanten Pfad. Jedes mit einem Linien- oder Ringnetzwerk verbundene Gerät benötigt zwei Ethernet-Ports, um Frames im Netzwerk zu verbreiten. Die Verlustleitung wird in diesen Anwendungsfällen noch wichtiger, da es zwei PHYs für jedes vernetzte Gerät gibt. Der Stromverbrauch von Gigabit-PHYs hat einen wesentlichen Einfluss auf die Verlustleitung insgesamt, und ein PHY mit geringerem Stromverbrauch ermöglicht es, einen größeren Anteil des vorhandenen Leistungs-Budgets für den FPGA/Prozessor und Ethernet-Switch im Gerät zu vergeben.

EMV/ESD-Verhalten

Industrielle Netzwerke können Kabellängen von bis zu 100 m in rauer Fabrikumgebung mit hohen Spannungsspitzen vom Rauschen des Fertigungsequipments haben. Das Potenzial für ESD-Ereignisse von Equipment-Installateuren und Betriebspersonen ist ebenfalls allgegenwärtig. Deshalb ist eine robuste physikalische Layer-Technologie für den erfolgreichen Einsatz des industriellen Ethernets essenziell. Industrielle Ausrüstungen müssen üblicherweise die folgenden EMV/ESD-Standards von IEC und EN erfüllen:

  • IEC 61000-4-5 Überspannungsfestigkeit
  • IEC 61000-4-4 schnelle elektrische Transienten (EFT)
  • IEC 61000-4-2 ESD
  • IEC 61000-4-6 leitungsgeführte Störfestigkeit
  • EN55032 abgestrahlte Emissionen
  • EN55032 leitungsgebundene Emissionen

Die Kosten für die Zertifizierung der Produkte nach diesen Standards sind hoch und dadurch kann die Markteinführung neuer Produkte verzögert werden, wenn eine Design-Iteration erforderlich ist, um alle diese Standards einzuhalten. Signifikante Kosten und auch das Risiko bei der Markteinführung neuer Produkte lassen sich senken, wenn man PHY-Bausteine einsetzt, die bereits nach den IEC- und EN-Standards geprüft sind.

Latenz eines Ethernet-PHYs

Für Anwendungen die eine Kommunikation in Echtzeit erfordern, in der eine präzise Bewegungssteuerung von entscheidender Bedeutung ist, ist die PHY-Latenz eine wichtige Design-Spezifikation, weil sie ein entscheidender Teil der Zykluszeit des gesamten Ethernet-Netzwerks ist. Die Zykluszeit eines Netzwerks ist die vom Controller benötigte Zeit für die Kommunikation, um die Daten aller Geräte einzusammeln und zu aktualisieren. Eine geringere Zykluszeit ergibt in zeitkritischen Anwendungen eine höhere Applikationsleistung. Ein Ethernet-PHY mit geringer Latenz hilft dabei, eine minimale Netzwerk-Zykluszeit zu erzielen und erlaubt es deshalb, mehr Geräte in das Netzwerk einzubinden.

Da in Linien- und Ring-Topologien zwei Ethernet-Ports (Data In Port/Data Out Port) nötig sind, um Daten von einem Gerät zum nächsten zu transferieren, hat die Latenz des Ethernet-PHY einen doppelt so starken Einfluss. Bei einer Reduzierung der PHY-Latenz um 25 % in einem Netzwerk mit 32 Teilnehmern (64 PHYs), ist der Einfluss sowohl für die Anzahl der Knoten als auch der Leistung (Zykluszeit) dieses industriellen Ethernet-Netzwerks signifikant.

Skalierbarkeit der Ethernet-PHY-Datenrate

Es ist auch wichtig, Ethernet-PHY-Bausteine für industrielle Ethernet-Netzwerke zu haben, die unterschiedliche Datenraten unterstützen; 10 Mbit, 100 Mbit und Gbit (10/100/1000). Verbindungen zwischen SPS und Bewegungssteuerung benötigen Gigabit-TSN-Ethernet-Verbindungen (1000 BASE-T) mit hoher Bandbreite. Die Verbindungen auf Feldebene basieren auf einer Ethernet-Verbindung, auf der industrielle Ethernet-Protokolle auf 100-Mbit/s-PHYs (100BASE-T) laufen.

Für die Verbindung End-Knoten/Edge-Knoten gibt es einen neuen Standard, der in IEEE 802.3cg/10BASE-T1L festgelegt ist. Dieser ermöglicht es der verlustleistungsarmen Ethernet-PHY-Technik auf einem einzelnen verdrillten Leitungspaar bei 10 Mbit/s Bandbreite über eine Entfernung von bis zu 1 km in eigensicheren Anwendungen in der Prozessteuerung eingesetzt zu werden. Da die Ethernet-Technik immer stärker auch an der Edge von industriellen Netzwerken eingesetzt wird, wird der Umfang der Verbindungsknoten immer kleiner. Über Ethernet vernetzte Sensoren/Aktoren können daher sehr kompakte Formfaktoren haben, sie benötigen daher auch PHYs in kleinen Gehäusen, die für industrielle Anwendungen entwickelt sind. LFCSP/QFN-Gehäuse mit 0,5 mm Anschlussabständen sind heute erwiesenermaßen robust, erfordern keine teuren Baugruppen-Fertigungsabläufe und besitzen den Vorteil einer herausgeführten Kühlfläche an der Unterseite. Damit wird die Wärmeableitung bei Betrieb in erhöhter Umgebungstemperatur verbessert.

Eine lange Produktlebensdauer und -verfügbarkeit ist ein wichtiges Anliegen für Hersteller industrieller Produkte und Anlagen, weil ihr Equipment häufig für mehr als 15 Jahre im Einsatz bleibt. Produktabkündigungen ziehen sehr kosten- und zeitaufwändige Neuentwicklungen nach sich. Deshalb müssen industrielle Ethernet-PHY-Bausteine eine lange Produktlebensdauer -und verfügbarkeit aufweisen, etwas, was von Herstellern von Ethernet-PHYs für den Konsummassenmarkt häufig nicht unterstützt wird.

Technologie für industrielle Ethernet-PHYs

Analog Devices hat zwei neue industrielle Ethernet-PHYs auf den Markt gebracht, die für den Einsatz in besonders rauen industriellen Umgebungen mit Umgebungstemperaturen von bis zu 105 °C ausgelegt sind. Das Unternehmens stellt lange Lebensdauern für neue Produkte sicher, die für industrielle Applikationen entwickelt werden. Erweiterte PHY-Eigenschaften der Bausteine ADIN1300 und ADIN1200 wurden speziell dafür entwickelt, um die erwähnten Herausforderungen anzugehen:

  • Verbesserte Erkennung von Datenverlust, detektiert Datenverluste in 10 µs, eine Anforderung von industriellen Echtzeit-Ethernet-Protokollen (z.B. Ethercat)
  • Start der Paketerkennung für die IEEE-1588-Zeitmarkierung, erforderlich für akkurates Timing im Netzwerk
  • Erweiterter ESD-Schutz an den MDI-Pins/ESD-Widerstandsfähigkeit am RJ-45-Steckverbinder
  • PHY-Einschaltzeit 15 ms.
  • Stromversorgungsüberwachung auf dem Chip
  • Verbesserte Robustheit des Einschaltvorgangs auf Systemebene

Der ADIN1300 ist der industrielle 10/100/1000-Ethernet-PHY mit dem branchenweit niedrigsten Stromverbrauch, der geringsten Latenz und dem kleinsten Gehäuse, der umfassend auf robustes EMV- und ESD-Verhalten geprüft wurde und einen Betrieb in Umgebungstemperaturen von bis zu 105 °C erlaubt. Der PHY ADIN1300 wurde nach den EMV/ESD-Standards getestet. Durch Nutzen einer Ethernet-PHY-Technik, die umfassend nach den entsprechenden IEC- und EN-Standards geprüft ist, können Kosten und Zeitaufwand im Zusammenhang mit der Konformitätsprüfung und Zertifizierung eines Produkts signifikant reduziert werden. ge

EMV/ESD-Funktionen des ADIN1300

Klasse A: Kein Verbindungsabbruch, nicht mehr als zwei aufeinander folgende oder fehlerhafte Datenpakete. System muss normal funktionieren, ohne nachträglichen Fehlerstress und ohne Nutzereingriff.

Klasse B: Kein Verbindungsabbruch. Datenverluste und fehlerhafte Datenpakete erlaubt. System muss normal funktionieren, ohne nachträglichen Fehlerstress und ohne Nutzereingriff.

Klasse C: Verbindungsabbrüche während des Testens und/oder das System erfordert einen Nutzereingriff z.B. Reset oder Ein-/Ausschalten, um den normalen Betrieb nach einem Stresstest wiederaufzunehmen. Der robuste verlustleistungsarme industrielle 10/100-Ethernet-PHY ADIN1200 wurde ebenfalls umfassend auf robustes EMV- und ESD-Verhalten getestet und ist auch im Umgebungstemperaturbereich bis 105 °C einsetzbar. Der ADIN1200 ergibt zusammen mit dem FIDO5200 eine Systemlösung für Verbindungen mit industriellen Echtzeit-Multiprotokoll-Bausteinen mit zwei Ports, die Profinet, Ethernet/IP, Ethercat G, Modbus TCP und Powerlink unterstützen. ge

www.analog.com/ADIN1300

www.analog.com/ADIN1200

Details zum ADI-Chronous-Produktportfolio:
http://hier.pro/vXf7r

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

Die robusten Ethernet-PHYs unterstützen Echtzeit-Protokolle mit zwei Ports, wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Modbus TCP und Powerlink
Bild: ADI


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