Mit dem 10BASE-T1S-Controller treibt onsemi das industrielle Ethernet voran

Höhere Datenraten waren das wichtigste Highlight der Ethernet-Entwicklung, aber nicht jede Netzwerkanwendung erfordert eine hohe Geschwindigkeit. Der IEEE 802.3cg-Standard wurde entwickelt, um mehrere zusätzliche wichtige Faktoren zu berücksichtigen. Auch für industrielle Anwendungsfälle sind deterministische Echtzeitleistung, Kabelreichweite, Installationskomplexität und Netzwerkwartungskosten von entscheidender Bedeutung.

10BASE-T1S ist im IEEE 802.3cg-Standard definiert. Ziel ist es, Industrie 4.0 weiter voranzutreiben, indem Ethernet bis zu den Edge-Node-Geräten durchdrungen wird, wodurch einer größeren Anzahl industrieller Anwendungen die Nutzung von Ethernet ermöglicht wird, die Komplexität und Kosten industrieller Netzwerkinstallationen gesenkt werden und die herkömmliche Multi-Drop-Kommunikation ersetzt wird.

Ein kurzes Profil von 10BASE-T1S
10BASE-T1S ist die Multidrop-Variante mit kurzer Reichweite des im IEEE 802.3-Standard definierten 10 Mbit/s-Single-Pair-Ethernet-PHY. 10BASE-T1S PHYs verwenden ungeschirmte Einzelpaarkabel, die im Vergleich zu Mehrpaar- und/oder geschirmten Kabeln günstiger und einfacher zu implementieren sind. Gemäß der Spezifikation unterstützt jede 10BASE-T1S-Implementierung eine Reichweite von mindestens 25 Metern mit mindestens 8 Knoten.

Kabel sind bei einer Netzwerkinstallation oft der größte Kostenfaktor. Single-Pair-Kabel haben nur zwei Drähte im Vergleich zu herkömmlichen Ethernet-Kabeln, die bis zu 8 Drähte (4 Twisted Pairs) verwenden. 10BASE-T1S kann die Kosten, Größe und das Gewicht der für Netzwerkinstallationen benötigten Kabel erheblich reduzieren.

Die Multi-Drop-Fähigkeit reduziert die Anzahl der Kabel weiter, indem sie die Verbindung eines einzelnen Paars mit mehreren Knoten ermöglicht. Darüber hinaus reduziert Multi-Drop die Anzahl der benötigten PHYs und Switch-Ports erheblich.

Der NCN26010 übertrifft die IEEE 802.3cg-Spezifikationen, indem er eine Reichweite von bis zu 50 Metern mit 8 Knoten und bis zu 40 Knoten auf einem 25-Meter-Segment ermöglicht.

Die 10BASE-T1S-Technologie bietet noch mehr Möglichkeiten zur Kostensenkung, indem sie die Netzwerkwartung vereinfacht und die Anzahl der zu unterstützenden Standards reduziert. Tatsächlich kann 10BASE-T1S die Kosten für die Netzwerkinstallation senken, indem bis zu 70 % der Kabel und bis zu 80 % der Bereitstellungskosten eingespart werden. Darüber hinaus werden keine großen Switches, Gateways und Protokollübersetzer mehr benötigt, und die damit verbundenen zusätzlichen Kabel und Stromanschlüsse entfallen.

Abbildung 1: Bei einer neuen 10BASE-T1S-Installation kann ein ungeschirmtes, einpaariges Kabel alle gelben Drähte im Schrank ersetzen.

Ein weiterer wichtiger Fortschritt von T1S ist der Determinismus dank der Erfindung von PLCA (Physical Layer Collision Avoidance). Ein deterministisches System ist ein System, bei dem bei der Entwicklung zukünftiger Zustände des Systems kein Zufall eine Rolle spielt. Mit anderen Worten: Für einen gegebenen Anfangszustand gibt ein deterministisches System immer die gleiche Ausgabe zurück oder erreicht den gleichen zukünftigen Zustand. Im Kontext von Industrial Ethernet ist deterministische Kommunikation die Fähigkeit des Netzwerks, zu garantieren, dass ein Ereignis innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eintritt (oder eine Nachricht übertragen wird). Dies wird manchmal als „begrenzte Antwort“ bezeichnet. Eine Anwendung gilt als deterministisch, wenn garantiert werden kann, dass ihre Antwortzeit innerhalb einer bestimmten Fehlertoleranz liegt. Der Determinismus bietet ein Maß an Zuverlässigkeit, da die Kommunikation oder Ausgabe nicht nur korrekt ist, sondern auch innerhalb einer bestimmten Zeit erfolgt. Damit ein System als Echtzeitsystem gilt, muss es eine maximale Zeit angeben, in der es auf ein Ereignis reagiert oder eine Nachricht überträgt. Ein Nicht-Echtzeitsystem hingegen läuft mit konstanter Geschwindigkeit und ohne Frist. Es ist wichtig zu beachten, dass Determinismus eine entscheidende Eigenschaft eines Echtzeitsystems ist.¹

Netzwerke, die CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) verwenden, sind nicht deterministisch. Stattdessen verlassen sie sich auf Statistiken, um Zugriff auf das gemeinsam genutzte Medium zu erhalten. Das grundlegende Prinzip von CSMA/CD besteht darin, dass der PHY erkennt, ob eine andere Station sendet (Trägererkennung), und der MAC jede Übertragung aufschiebt, bis die Leitung frei ist. Wenn jedoch kein Träger erkannt wird, können mehrere MACs gleichzeitig eine Übertragung initiieren, was zu einer physischen Kollision führt. Dies geschieht insbesondere am Ende einer Übertragung, wo mehrere aufschiebende MACs das Ende des Trägers gleichzeitig oder genauer gesagt innerhalb desselben Zeitfensters, dem sogenannten Kollisionsfenster, erkennen können. Das Kollisionsfenster wird durch die Ausbreitungsverzögerung des Netzwerks, einschließlich der Kabellänge und der PHY-Implementierungseigenschaften, bestimmt. Wenn eine Kollision auftritt, meldet der PHY dies dem MAC, der wiederum die aktuelle Übertragung abbricht und neu plant. Bevor der MAC einen neuen Versuch zur Übertragung des Frames unternimmt, hält er für eine zufällige Zeitspanne an, die als Backoff bezeichnet wird. Dabei steigt die Obergrenze exponentiell mit der Anzahl der (aufeinanderfolgenden) fehlgeschlagenen Übertragungsversuche an. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit weiterer Kollisionen schrittweise verringert, jedoch nie ganz ausgeschlossen. Das zufällige Backoff führt zu enormen Schwankungen bei den Zugriffszeiten, was sogar dazu führen kann, dass das Paket nach zehn fehlgeschlagenen Übertragungsversuchen nicht übertragen wird (verworfen wird). Infolgedessen weist CSMA/CD eine sehr schlechte Echtzeitleistung auf. CSMA/CD-Netzwerke funktionieren nachweislich in Nicht-Echtzeitumgebungen zuverlässig, wenn die durchschnittliche Last 30 % der verfügbaren Netzwerkbandbreite nicht überschreitet. Ein weiterer Nebeneffekt von CSMA/CD ist der sogenannte „Capture“-Effekt, bei dem ein Knoten über einen sehr langen Zeitraum wiederholt Zugriff auf das Netzwerk erhalten kann. Möglicherweise so lange, wie der MAC zu übertragende Frames hat. Daher ist die Fairness des Zugriffs auch für CSMA/CD ein großes Anliegen, wenn es um die Echtzeitleistung geht. Schließlich kann der Kollisionserkennungsmechanismus im PHY recht komplex sein und bei starkem Rauschen, das in industriellen Umgebungen häufig auftritt, eine sehr schlechte Leistung erbringen. Folglich sind CSMA/CD-Netzwerke für viele industrielle Anwendungen, die eine deterministische und zuverlässige Echtzeitleistung erfordern, nicht geeignet.

Mit der PLCA-Methode hingegen können Sie die Latenz beim Medienzugriff im schlimmsten Fall als Funktion der Knotenanzahl und der MTU (maximale Framegröße) Ihres Netzwerks berechnen, die konfigurierbar ist. 10BASE-T1S-PHYs (wie der im NCN26010 eingebettete) verwenden typischerweise PLCA, einen wichtigen Bestandteil von Echtzeitanwendungen, die eine deterministische Leistung erfordern, wie etwa in der Automobil-, Industrie- und Gebäudeautomatisierung. PLCA ist für einen kollisionsfreien Betrieb in Halbduplex-Multidrop-Netzwerken ausgelegt. Wenn PLCA vorhanden ist, beginnt der Übertragungszyklus mit einem Beacon (einem 2,4 µs langen Signal der physischen Schicht), das vom Koordinatorknoten (Knoten 0) gesendet wird und das die Netzwerkknoten zur Synchronisierung verwenden. Nachdem das Beacon gesendet wurde, erhält Knoten 0 eine Sendemöglichkeit. Wenn Knoten 0 keine Daten zu senden hat, gibt er seine Möglichkeit nach sehr kurzer Zeit an Knoten 1 ab (standardmäßig entspricht dies der Zeit, die zum Übertragen von 32 Bits benötigt wird, also 3,2 µs). Andernfalls kann Knoten 0, wenn Daten zu übertragen sind, ein Paket mit der konfigurierbaren maximal zulässigen Frame-Größe (MTU) des Netzwerks senden, die standardmäßig 1500 Byte beträgt. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis jedem Knoten eine Sendemöglichkeit angeboten wurde. Anschließend wird vom Masterknoten ein neuer Zyklus eingeleitet, der ein weiteres Beacon sendet. Um zu verhindern, dass ein Knoten den Bus blockiert, unterbricht eine Jabber-Funktion die Übertragung eines Knotens, wenn diese die maximal zulässige Frame-Größe überschreitet, und ermöglicht so dem nächsten Knoten die Übertragung. Dies löst das „Babbling Idiot“-Problem, das mehrere Multi-Drop-Technologien betrifft. Das Ergebnis ist, dass es keine Auswirkungen auf den Datendurchsatz gibt und es zu keinen Kollisionen auf dem Bus kommt. Die PLCA-Architektur ermöglicht den Einsatz von 10BASE T1S in lauten Industrieanwendungen, die eine deterministische Echtzeitleistung erfordern.²

Eine weitere wichtige Anforderung für viele industrielle Netzwerke, die Echtzeit- und deterministische Funktionen erfordern, ist die Fähigkeit zur zuverlässigen Arbeit in rauen EMC-Umgebungen. Während viele andere Ethernet-Standards nicht für die Unterstützung industrieller EMC-Umgebungen konzipiert wurden, berücksichtigt 10BASE-T1S derartige Anforderungen. Als Resultat weist 10BASE T1S im Vergleich zu bestehenden Technologien mit ungeschirmten einpaarigen Kabeln eine hervorragende EMC-Leistung auf. Durch die Verwendung von 10BASE-T1S ist es möglich, Systeme zu entwickeln, die die EMI-Anforderungen der Klasse 3 IEC61000-4-6 (10 V_rms Gleichtaktrauscheinspeisung) mit ungeschirmten Einzelpaarkabeln erfüllen. PLCA spielt auch eine Schlüsselrolle bei der elektromagnetischen Immunität: Da bekannt ist, dass der Bus kollisionsfrei ist, kann der Empfänger des PHY fortschrittliche Techniken einsetzen, um das Signal bei hohem Rauschpegel wiederherzustellen.

Ein weiteres interessantes Merkmal von PLCA besteht darin, dass es zwar die Art und Weise ändert, wie die Knoten auf die Medien zugreifen, den MAC jedoch nicht modifiziert. 10BASE-T1S-PHY-Implementierungen können über einen Legacy-MII-Port mit einem Standard-CSMA/CD-MAC verbunden werden. Dies ist möglich, weil der Kollisionsvermeidungsmechanismus vollständig in der physischen Schicht implementiert ist (daher der Name PLCA), während der MAC wie gewohnt auf Trägererkennungs- und Kollisionserkennungssignale reagiert. Mit anderen Worten: Der PHY bietet dem Standard-MAC über die CRS- und COL-MII-Signale eine Art „erweiterte Realität“.

10BASE-T1S-Ethernet-Controller
Der Ethernet-Controller NCN26010 10BASE-T1S ist ein wichtiger Baustein bei der Installation und Wartung kostengünstiger Industrienetzwerke, die es Unternehmen ermöglichen, die Vision von Industrie 4.0 zu verwirklichen.

•  Bringt das Ethernet bis zum Edge
•  Ermöglicht die Entwicklung deterministischer Echtzeitsysteme, die für viele industrielle Anwendungen erforderlich sind
•  Funktioniert mit ungeschirmten Einzelpaarkabeln
•  Reduziert die Komplexität und die Kosten von Netzwerkinstallationen
•  Macht große Switches, Gateways und Protokollübersetzer sowie die damit verbundene zusätzliche Verkabelung und Stromversorgung überflüssig
•  Senkt die Software-Wartungskosten, da Sie nicht mehrere Technologien warten müssen
•  Reduziert die Komplexität der Netzwartung dank weniger Netzwerkstandards, die gewartet werden müssen. Dies kann durch den Ersatz älterer Punkt-zu-Punkt- und Mehrpunktstandards (einschließlich RS-485, CAN, FlexRay, RS-232 und HART) durch 10BASE-T1S Ethernet erreicht werden.
•  Ermöglicht einen höheren Datendurchsatz über vorhandene Kabel und macht das Verlegen neuer Kabel überflüssig, was bei einer Netzwerkinstallation oft den größten Kostenfaktor darstellt.
•  Entwickelt unter Berücksichtigung der EMC-Anforderungen für die industrielle Fertigung und den Automobilbau
•  PHY-konform mit spezifisch entwickelten Power over Data Lines (PoDL)

Nachfolgend finden Sie einige Beispiele für die Verwendung von 10BASE-T1S:

•  Aufzüge: Reduzieren Sie die Verkabelung im Fahrkorb sowie an den Etagensteuergeräten (Anzeigen und Ruftaste)
•  Industrieschränke: Reduzieren Sie Installationskomplexität und -kosten
•  Vernetzte Sensoren: Ethernet, das bis zu Sensor-Edge-Node-Geräten mit bis zu 40 Knoten auf einem einzigen 25-Meter-SPE-Segment reichen kann, was dem 5-fachen der Anforderungen des IEEE 802.3cg-Standards entspricht
•  Straßenbeleuchtung: Ergänzung der Straßenbeleuchtung durch Ladestationen für Elektrofahrzeuge
•  Systeminterne Kommunikation: 10BASE-T1S Ethernet kann die meisten I2C-, SPI- und anderen proprietären On-Board-Busse und Backplanes (z. B. Server-Motherboards und Switches) ersetzen. Reduziert den Software- und Wartungsaufwand erheblich. Vereinfacht das Layout sowie die Stromverteilung, ohne die Datenraten oder Latenzen zu beeinträchtigen
•  Gebäudeautomation: Vereinfachen Sie Ihre Zugangskontrollsysteme für Gebäude
•  Bahn/Straßenbahn/Bus: Reduzieren Sie die Verkabelung von Türmodulen sowie Überwachungs- und Notrufsystemen. Eine einheitliche Ethernet-Architektur macht Wartung und Systemkomplexität beherrschbarer
•  Automobilbau: Reduzieren Sie das Gewicht, die Komplexität und die Kosten der Verkabelung. Ermöglicht zusätzlich serviceorientierte Architekturen bis an den Rand des IVN

Ein typischer 10BASE-T1S-Ethernet-PHY-Controller bietet die erforderlichen Funktionen der physischen Schicht zum Senden und Empfangen von Daten über ein ungeschirmtes Einzelpaarkabel und unterstützt die Kommunikation mit einem MAC über eine standardmäßige MII-Schnittstelle. Der Ethernet-Controller NCN26010 von onsemi integriert jedoch PHY und MAC auf einem einzigen MACPHY-Gerät und bringt Ethernet zu Sensoren und anderen Industriegeräten, die Mid-/Low-End-MCUs ohne integrierten MAC verwenden. Dies wiederum reduziert die Systemkomplexität erheblich und bietet die Flexibilität, Knoten nach der Erstinstallation in sich ständig ändernden Systemkonfigurationen neu zu verwenden.

Abbildung 2: Ein MACPHY-Gerät kann eine Verbindung zu Industriesteuerungen, Sensoren und anderen Geräten herstellen, die möglicherweise keinen MAC enthalten.

MACPHY Ethernet-Transceiver
Der NCN26010 von onsemi ist der erste 10BASE-T1S Ethernet MACPHY auf dem Markt. Es handelt sich um einen integrierten Ethernet-MACPHY-Transceiver, der Sensoren, Aktoren und andere Industriegeräte verbinden kann, ohne dass ein externes MAC-Gerät erforderlich ist.

Der NCN26010 bietet zwei wesentliche Unterscheidungsmerkmale. Das erste ist ein Modus mit erhöhter Rauschimmunität und überlegener Bitfehlerrate (BER), der bei 8 Knoten eine Reichweite von bis zu 50 Metern ermöglicht. Dies entspricht der doppelten Anforderung des IEEE 802.3cg-Standards. NCN26010 erfüllt den IEC6100-4-6-Test auf leitungsgebundene Störfestigkeit bei 10 V_rms und gewährleistet so eine robuste Signalerkennung in lauten Fabrikumgebungen. Das zweite ist die geringere Kapazität an den Leitungsstiften, wodurch an ein einzelnes Segment mehr Knoten angeschlossen werden können. Es ermöglicht bis zu 40 Knoten auf einem einzigen 25 Meter langen Einzelpaarkabel, was fünfmal mehr ist als die im IEEE 802.3cg-Standard festgelegte Anforderung.

Abbildung 3: NCN26010 zeichnet sich durch eine niedrige Leitungskapazität aus und bietet bis zu 40 Knoten auf einem einzigen 25 Meter langen ungeschirmten einpaarigen Kabel.

Der NCN26010 senkt außerdem die Software-Wartungskosten, indem er dem geschichteten Ethernet-Ansatz folgt. Daher sind zum Ändern von Ethernet-PHYs keine Modifikationen in den oberen Softwareschichten erforderlich.

Industrielles Ethernet bis zur Edge
Der NCN26010 kann Unternehmen dabei helfen, die Vorteile von Industrie 4.0 zu realisieren, indem er eine Ethernet-Lösung bietet, die an Orten eingesetzt werden kann, an denen dies in der Vergangenheit nicht möglich oder praktikabel war. 10BASE-T1S bietet das Potenzial, die Ethernet-Konnektivität bis an die äußersten Ränder industrieller Netzwerke auszudehnen und gleichzeitig die Architekturen zu vereinfachen und die Kosten für Netzwerkinstallation und -wartung zu senken.

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Verweise
¹ Deterministische Steuerung in Echtzeit: Was bedeutet das wirklich für Anwendungen der Bewegungssteuerung?
² Ethernet 10BASE-T1S und 10BASE-T1L erfinden die Fahrzeug- und Industriekonnektivität neu – Microwave Product Digest