En los entornos industriales actuales, las arquitecturas de automatización complejas y una amplia variedad de tecnologías de fabricación prevalecen en todos los sistemas industriales, todos conectados a través de redes industriales. Una conexión de red estable es fundamental para el funcionamiento normal de los sistemas industriales.
A diferencia de la implementación de Ethernet en entornos comerciales o de consumo, los entornos de Ethernet industrial presentan desafíos físicos y electromagnéticos adicionales. Las PHY Ethernet de grado industrial-tienen requisitos extremadamente estrictos en términos de tolerancia a la temperatura, sobretensiones, requisitos de latencia y velocidad de la red.
El impacto de la latencia en la automatización industrial
En los sistemas Ethernet industriales, existen muchas fuentes de retraso. Algunos retrasos se deben a conexiones físicas, normalmente cableado y conexiones de PCB. Los datos también experimentan retrasos a medida que pasan a través de PHY, MAC, conmutadores y otros componentes de la conexión de red. El retraso también es un indicador de referencia importante al seleccionar una PHY.
Arquitectura de Red de Automatización Industrial, TI
Aunque la serie de estándares IEEE 802.3 continúa evolucionando, no existe una especificación explícita sobre el tiempo que tarda un paquete de datos en atravesar la PHY. Sin embargo, la latencia puede afectar directamente a las aplicaciones de automatización de fábricas-en tiempo real. Dado que la latencia no es un valor definido para Ethernet especificado por el estándar IEEE 802.3 ni un valor síncrono o repetible inherente de Ethernet, la desconexión entre Ethernet y las aplicaciones de automatización de fábrica debe abordarse a través de la arquitectura cuidadosa de los dispositivos de capa física (PHY) de Ethernet.
Independientemente de la topología de la red o los protocolos industriales, estos protocolos comparten un objetivo común: proporcionar un control preciso sobre diferentes nodos en una red industrial. Esto se puede lograr-marcando la hora de los paquetes transmitidos y recibidos y usando estas marcas de tiempo para sincronizar la hora de la red entre los nodos de la red. El tiempo de la red es compartido por el protocolo dentro de los datos del paquete, y la unidad de marca de tiempo de cada nodo marca ese tiempo. Cualquier cambio en la marca de tiempo reduce la precisión del sistema. Los retrasos más prolongados también limitan la frecuencia con la que los paquetes pueden usar marcas de tiempo y restringen la cantidad de nodos permitidos en la red. Por tanto, es necesario minimizar los retrasos en la medida de lo posible.
PHY de Ethernet industrial - Dela
Para aplicaciones de control de movimiento en automatización industrial que requieren un control preciso, los tiempos de ciclo generalmente deben ser de decenas de microsegundos. En estos niveles, el retraso en cada componente de la red es fundamental. El control de retardo de la capa física de Ethernet (PHY) es un factor limitante muy crítico para el tiempo de ciclo.
En estándares Ethernet como 1000Base-T y 100Base-TX, los PHY con menor latencia operativa pueden mejorar el tiempo de ciclo. Una latencia más baja puede elevar el tiempo de ciclo al mismo nivel que una velocidad de transmisión más rápida de Ethernet, aumentando efectivamente el ancho de banda de la red. Actualmente, la mayoría de las aplicaciones Ethernet industriales funcionan en 100Base-TX Ethernet, pero muchas aplicaciones están comenzando a realizar la transición a 1000Base-T, que ofrece mayor ancho de banda. Una PHY con menor latencia aumenta efectivamente el ancho de banda de la red y también facilita la transición de Ethernet a velocidades de datos más altas.
Diseño interno PHY, TI
En redes Ethernet como 1000Base-T y 100Base-TX, una PHY con menor latencia operativa puede mejorar el tiempo del ciclo. Una latencia más baja puede aumentar el tiempo de ciclo al mismo nivel que una velocidad de transmisión más rápida de Ethernet, lo que aumenta efectivamente el ancho de banda de la red. Actualmente, la mayoría de las aplicaciones Ethernet industriales funcionan en 100Base-TX Ethernet, pero muchas aplicaciones están comenzando a realizar la transición a 1000Base-T, que ofrece mayor ancho de banda. Los PHY de menor latencia aumentan efectivamente el ancho de banda de la red y también facilitan la transición de Ethernet a velocidades de datos más altas.
Otros desafíos para PHY en la evolución de Ethernet industrial
La temperatura es difícil de controlar en entornos industriales y las condiciones de temperatura más estrictas aumentan la complejidad del diseño de PHY. PHY debe poder funcionar a su rendimiento nominal en un amplio rango de temperaturas. Generalmente, la PHY de Ethernet industrial debe poder funcionar en un rango de temperatura de -40 a 85 grados y soportar una temperatura de unión máxima de 125 grados.
El consumo de energía también es un factor crítico en todo momento, especialmente en PHY gigabit, donde el consumo de energía puede afectar significativamente el consumo de energía total del sistema. El presupuesto de energía asignado a la capa física de Ethernet es limitado y cada dispositivo interconectado requiere dos capas físicas de Ethernet, por lo que el consumo de energía debe ser lo suficientemente bajo para cumplir con los requisitos de conectividad de todo el dispositivo. Algunos fabricantes optan por el funcionamiento de energía dual-además de PHY de bajo-consumo para lograr un consumo de energía aún menor.
Resumen
A medida que la complejidad de los sistemas de automatización de fábricas sigue creciendo, aumenta la demanda de transmitir más datos entre nodos, lo que hace que sea cada vez más importante mantener una conectividad de alto-rendimiento dentro de las fábricas. Las conexiones de hardware PHY que no se ven afectadas por entornos industriales hostiles son muy valiosas para la implementación de redes de Internet industriales.