La interconectividad de comunicación confiable y estable es el elemento vital de la automatización industrial. Dada la gran cantidad de sensores y actuadores dentro de los equipos industriales, y la multitud de sistemas y protocolos que prevalecen en los escenarios industriales del mundo real-, se emplean innumerables puertas de enlace tradicionales para transmitir y convertir datos durante todo el proceso. La automatización industrial debe tener en cuenta los requisitos de los sistemas de TI para el acceso a datos abiertos y el control en tiempo real-.
Ethernet industrial ha desempeñado un papel importante en este sentido, mejorando sustancialmente la eficiencia y la sincronización de la transmisión de datos a gran-escala en comparación con los sistemas de bus de campo. En cuanto al hardware-, el equipo de conmutación Ethernet comprende chips de conmutación Ethernet, CPU, PHY, PCB y subsistemas de interfaz/puerto, siendo el chip de conmutación Ethernet un componente crítico. Estos chips están especializados para conmutar y procesar grandes volúmenes de datos y reenviar mensajes, y sirven como circuitos integrados optimizados para aplicaciones-para redes. Los principales proveedores de chips de conmutación suelen ofrecer productos-de calidad comercial con compatibilidad integral con protocolos y una funcionalidad sólida.
Integración del chip de conmutación
Las funciones de conmutación de red normalmente se implementan en la MAC de capa 2 de Ethernet. Los primeros chips de conmutador Ethernet generalmente solo contenían la capa MAC, confiando en chips PHY en la Capa 1 para establecer conexiones Ethernet reales. Con los avances tecnológicos y la creciente demanda de los usuarios de arquitecturas de sistemas simplificadas, surgieron chips de conmutación de red que integran la capa física (PHY) y la capa de enlace (MAC) y obtuvieron una adopción generalizada.
Actualmente, muchos chips de conmutación de 10M/100M han logrado esta integración. Sin embargo, los chips de conmutador 10G y los puertos Gigabit de los conmutadores estándar todavía suelen requerir chips PHY dedicados. Cuando se habla de conectividad Ethernet, Broadcom es un actor clave. Broadcom ha sido durante mucho tiempo líder en el sector de chips de conmutación Ethernet y ofrece la gama más completa de chips y equipos de conmutación Ethernet de la industria.
En cuanto a la integración, la solución de conmutación Ethernet con arquitectura Roboswitch de Broadcom presenta configuraciones de 5-24 puertos que admiten Fast Ethernet y Gigabit Ethernet (GbE). Dentro de estas soluciones de conmutación Gigabit Ethernet y de alta-velocidad, todas las funciones de un-sistema de conmutación de alta-velocidad-incluidos buffers de paquetes, transceptores de capa física, controladores de acceso a medios (MAC), administración de direcciones, control de velocidad basado en puerto-y tejido de conmutación sin-bloqueo, están integradas en un único chip CMOS. Este nivel de integración es excepcionalmente alto para aplicaciones industriales.
Para garantizar una alta capacidad de procesamiento de datos durante las operaciones colaborativas, las vías lógicas internas del chip del conmutador son extremadamente complejas. Las arquitecturas-líderes de la industria de los principales fabricantes admiten múltiples velocidades, incluidas 100 M/1GE/2,5 GE y 10 GE, y utilizan velocidades de 2,5 GbE/10 GbE para lograr conexiones de enlace ascendente de alta-velocidad. El chip de conmutación integrado también incorpora una CPU directamente en su interior, lo que permite el diseño de una plataforma de conmutación administrada por una sola-CPU-que admite el modo en cascada sin necesidad de un procesador externo.
En escenarios de centros de datos y aplicaciones de redes de aprendizaje profundo, los chips de conmutación alcanzan niveles de integración aún mayores. Por ejemplo, la serie StrataXGS con mayor-integración y mayor-ancho de banda del mercado presenta soluciones integradas de un solo-chip capaces de escalar desde varios gigabits hasta varios terabits.
Compatibilidad con múltiples-protocolos
La prevalencia de los protocolos de comunicación industriales es ampliamente reconocida y los chips de conmutación multi-protocolo sin duda tienen un mayor atractivo en las aplicaciones industriales, lo que reduce significativamente las complejidades del diseño. Los chips de conmutación multiprotocolo FIDO5100 y FIDO5200 de ADI logran soporte de protocolo a través de configuraciones personalizables, utilizando firmware descargado desde el procesador host. Este firmware está integrado en el controlador del conmutador multiprotocolo Ethernet-en tiempo real-y se descarga durante el encendido-.
(Soporte completo de protocolo, ADI)
Las configuraciones escalables y flexibles permiten que el chip del conmutador interactúe sin problemas con cualquier procesador host. Al aprovechar los controladores de dispositivos para protocolos específicos, facilita la partición flexible del sistema y, al mismo tiempo, ofrece mayor libertad para utilizar pilas de protocolos de cualquier proveedor-simplemente integre la pila de protocolos con el controlador de chip del conmutador multi-protocolo. El soporte multi-protocolo del chip conmutador mejora significativamente la eficiencia en escenarios de automatización industrial.
Búsqueda incesante de una transmisión de datos eficiente y demandas en tiempo real-
Independientemente de las tendencias tecnológicas, los requisitos básicos de transmisión eficiente y baja latencia siguen siendo constantes para los chips de conmutación. Esto es particularmente crítico en aplicaciones industriales donde el control de movimiento exige un rendimiento estricto en tiempo real-. La serie FIDO antes mencionada emplea una unidad de control de temporizador (TCU) para implementar mecanismos de sincronización para varios protocolos Ethernet industriales, admitiendo tiempos de ciclo EtherCAT de tan solo 12,5 μs y tiempos de ciclo PROFINET de tan solo 31,25 μs.
La serie VSC75XTSN de un solo chip- de Microchip integra soporte completo de hardware para el protocolo de tiempo de precisión (PTP) IEEE 1588v2, incluida la marca de tiempo de hardware para todas las interfaces PHY-MAC y un reloj PTP de hardware de alta-resolución. Esto ofrece sincronización en sub-microsegundos para una variedad de aplicaciones Ethernet industriales. La demanda de conectividad en tiempo real-y de alta-eficiencia continúa impulsando a los chips de conmutación hacia una transmisión más eficiente y una sincronización de menor-latencia.
Resumen
A medida que las redes pasan del bus de campo tradicional y las conexiones de 4 mA a 20 mA a Ethernet industrial, surgen numerosos desafíos durante las fases de diseño e implementación de la conectividad de la red. Esto ha impulsado la evolución de los chips conmutadores Ethernet. Los chips de conmutación potentes y flexibles acercan las aplicaciones industriales a lograr la conectividad Ethernet industrial ideal.