S ethernetem až na okraj průmyslových sítí

Firma Microchip představila nové prvky, určené pro „Single Pair Ethernet“ a jeho průmyslové využití, které implementují fyzickou vrstvu 10BASE-T1S a 100BASE-T1. Díky zmíněným produktům lze proto ethernet využít i na okraji (tzv. „Edge“) průmyslových sítí.

„Single Pair Ethernet“, neboli SPE, zde definuje vysílací/přijímací část ethernetového systému. Všechny vyšší softwarové vrstvy přitom zůstávají nezměněny, a to bez ohledu na jejich rychlost. SPE se rovněž označuje jako T1, což u vodičů představuje jeden symetrický pár. Některé aplikace použijí kroucený pár, zatímco jiným stačí pouze dva společně vedené vodiče. Standard IEEE přitom definuje kanál z hlediska jeho elektrických charakteristik, a ne konkrétního fyzického vedení.

Pro SPE je definováno několik šířek pásma. První část názvu nám určuje rychlost v Mbitech/s, kdy 10BASE znamená 10 Mbitů/s. Máme zde standardy pro 10BASE-T1S (S jako krátký dosah, „Short“), 10BASE-T1L (L jako „Long“), 100BASE-T1, 1000BASE-T1 a také zde jsou definovány ještě větší přenosové rychlosti, pokud jde o 2,5, 5 či 10 Gbitů/s. Díky redukci hmotnosti, včetně složitosti rozvodů, SPE snižuje i systémové náklady.

Megatrend v oblasti sítí spočívá v odklonu od distribuovaných systémů, definovaných v první řadě použitým hardwarem, k více centralizovaným, softwarově definovaným systémům. Snahou je propojit vše s využitím ethernetu:

• hardwarové architektury, specifické pro danou oblast, ustupují vzájemně propojeným zónám a centralizované výpočetní platformě
• četné sběrnice, specifické pro konkrétní aplikaci, jsou nahrazeny všudypřítomnou sítí ethernet, založenou na IP
• brány či kontroléry, které potřebujeme kvůli přístupům s odlišným hardwarem, a které dále vyžadují složité propojení, již nebudou zapotřebí. Levná kabeláž s jedním párem vodičů pak ethernet zavádí až na okraj sítě.

To vše pak vede k výkonnější a ještě flexibilnější síti, která vyhovuje náročnému průmyslovému prostředí.

Ethernet zde umožňuje propojené infrastruktury, od cloudu až na místo určení (Cloud-to-Edge). Tradiční sítě IT umožňují na špici komunikovat na těch nejvyšších úrovních. K řízení procesů a také montážních linek pak na úrovni budov slouží sítě OT (Operational Technology). Když se pak dostaneme v podnikové síti ještě dále, nalezneme zde snímače, akční členy nebo i další „nízkoúrovňová“ zařízení.

Ethernet umožňuje obvyklý způsob spojení a komunikace se všemi těmito prvky, takže jsou jejich data v rámci organizace k dispozici i na vyšších úrovních a ve spojení s tzv. „Big Data“ lze informace využívat k lepšímu chodu celého podniku. Systémy bude rovněž snadnější konfigurovat a řídit. Zavedené ethernetové mechanismy dokáží všechny zmíněné prvky rovněž i zabezpečit. Pokud jde o síťové přenosy, u současných požadavků hraje stále větší roli také ověřování pravosti, šifrování nebo též bezpečnostní aktualizace.

Společnost Microchip vystupuje při rozvoji Single Pair Ethernetu jako přední výrobce. Pomohla napsat standardy (IEEE) a souběžně vyvíjela i komplexní portfolio řešení pro SPE, která jsou flexibilní a lze je dále rozšiřovat. Ať již „poběžíte“ na 10 Mbitech/s, 100 Mbitech/s či 1000 Mbitech/s, Microchip má PHY, MAC-PHY nebo ethernetové switche, které dokáží pracovat s jediným párem vodičů a přenášet přitom data.

Technologie 10BASE-T1S patří k nejnovějším typům ethernetového spojení, definovaného ze strany IEEE.

Standard IEEE 802.3cg byl publikován v roce 2019. Společnost Microchip byla přitom jedním z klíčových účastníků, kteří zmíněný standard v rámci IEEE vytvářeli. Byl vyvinut s cílem dostat ethernet až na okraj sítí OT (Operational Technology). Stávající systémy mívaly šířku pásma stovek kilobitů za sekundu, takže přechod na megabity za sekundu zde vytváří předpoklady pro další rozvoj.

Technologie využívá při komunikaci polovičního duplexu a je zárukou flexibilní topologie – od konfigurací typu „point-to-point“ po „multidrop“. Označením „multidrop“ zde rozumíme větší počet zařízení připojených ke sběrnici – lince tvořené jedním párem vodičů.

10BASE-T1S máme definován pro využití s jedním symetrickým párem vodičů. Může se jednat o jediný kroucený pár, jiné konfigurace párů a dokonce i souběžně vedené trasy na desce plošného spoje, servery nevyjímaje.

Nový standard 10BASE-T1S definuje fyzickou vrstvu, vytvářející nové obchodní příležitosti pro firmy, které uvítají všudypřítomné, čistě ethernetové systémy. Data lze kdekoli v systému využívat inovačními způsoby, které pak nahrávají novým aplikacím.

Je možné snížit i cenu, protože 10BASE-T1S používá jednoduché součástky, software a také způsob vedení. Nový ethernet kontrolér 10BASE-T1S MAC-PHY umožňuje, aby se na současném trhu staly součástí ethernetového světa i ty nejobyčejnější mikrokontroléry. 10BASE-T1S rovněž vylučuje potřebu bran, které byly dříve zapotřebí při přenosu dat z různých hardwarových systémů. A díky schopnostem „multidrop“ se snižuje i počet portů pro switche, když máme zařízení připojena k jediné sběrnicové lince.

Použití dobře zavedených bezpečnostních mechanismů a také jednotných rozhraní ethernetového světa nám snižuje rizika při vytváření aplikací na samotném okraji průmyslových sítí. Velká skupina vývojářů a také realizátorů přitom zmíněným bezpečnostním mechanismům dobře rozumí. Rychle lze proto odhalit i jakékoli problémy, což je dáno tím, jak hodně lidí s touto technologií pracuje, takže můžeme všechno rychle i vyřešit. Návrh, vývoj softwaru, testování nebo údržba – u příslušných prostředků se lze nyní na všech úrovních OT a IT sítí zaměřit na stejné základní komunikační mechanismy.

Společnost Microchip nabízí ucelenou řadu SPE PHY, od 10 Mbitů/s až do 1000 Mbitů/s, kdy všechny prvky podporují teplotní rozsahy průmyslové třídy. Další rozšířená podpora pro průmyslové aplikace pak zahrnuje spolehlivost, zabezpečení nebo i zvyšený dosah prostřednictvím kabelů. Kompletní řešení pro systémy propojené prostřednictvím SPE lze realizovat se širokou nabídkou switchů SPE. Microchip zde nabízí inteligentní switche, podporující TSN (Time Sensitive Networking), včetně integrované technologie SPE PHY. Našim nejnovějším přírůstkem je vůbec první, nefalšovaný switch SPE na jednom čipu s podporou TSN, který integruje samotnou strukturu switche, CPU, RAM a mimořádně také paměť kódu FLASH. Vývojáři mohou proto nyní taková řešení pro jeden pár okamžitě i vytvářet, přičemž jim budou stačit malé (nebo snad i žádné) odborné znalosti technologie T1 PHY či specifikací AVB a TSN.

www.microchip.com