Konektivitas Industri dengan Single Pair Ethernet

Di dunia dengan meningkatnya ketergantungan pada komunikasi nirkabel, dunia kabel tampaknya agak ketinggalan zaman. Namun, di industri IoT (IIoT), kabel masih menjadi norma. Ada beberapa alasan untuk mempertahankan konektivitas kabel di lingkungan industri termasuk interferensi RF, pita radio yang padat, persyaratan lisensi, dan respons yang sederhana.

Secara tradisional, aplikasi industri telah menjadi target teknologi fieldbus yang lebih tua seperti Profibus, Modbus, CAN, dan lainnya. Teknologi ini biasanya didasarkan pada kabel twisted pair dan umumnya dalam tingkat kinerja 1 Mbps atau kurang. Dalam dunia industri, biaya adalah segalanya. Jadi, kabel ke sensor dan aktuator harus murah dan berumur panjang. Oleh karena itu, kabel pasangan terpilin tunggal adalah norma.

Meskipun demikian, kita melihat perluasan revolusi industri keempat atau dikenal sebagai Industri 4.0 (I4). I4 ditandai dengan penggunaan komunikasi mesin-ke-mesin (M2M) skala besar dan penyebaran Internet of Things (IoT) untuk meningkatkan otomatisasi. Tujuan dari tren ini adalah penyebaran perangkat pintar yang dapat mengoperasikan, menganalisis data, dan mengambil tindakan tanpa campur tangan manusia. Kunci keberhasilan I4 didasarkan pada konektivitas dan kinerja dengan terjemahan sinyal menengah minimum yang dapat memperkenalkan latensi. Selain itu, elemen IoT sering kali berpusat pada kemampuan untuk mengomunikasikan data secara mulus dari sensor hingga ke cloud. Di dunia kita saat ini, ini menyiratkan penggunaan tumpukan protokol IP.

Sayangnya, tidak ada teknologi fieldbus tradisional yang biasanya melewati frame IP. Artinya ada persyaratan untuk kotak penerjemah yang menerjemahkan dari frame Profibus atau CAN ke IP dan sebaliknya. Ini memperkenalkan latensi dan meningkatkan biaya. Dan, karena sebagian besar teknologi fieldbus ini relatif lambat dibandingkan dengan komunikasi modern seperti Wi-Fi atau Seluler 5G, pendekatan baru diperlukan untuk mendukung kebutuhan komunikasi I4 yang terus berkembang.

Memanfaatkan Kemajuan Otomotif

Di dunia otomotif, kita melihat ledakan jumlah data yang dibutuhkan untuk sensor yang ditemukan di Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Seperti aplikasi industri tradisional, aplikasi otomotif telah mengandalkan teknologi fieldbus seperti CAN untuk komunikasi antara Electronic Control Unit (ECU) dan sensor/aktuator seperti rem anti-lock, kontrol emisi, dan lain-lain. Namun, batas kecepatan 1-Mbps untuk CAN atau bahkan kecepatan data yang ditingkatkan untuk CAN-FD (hingga 5 Mbps) tidak cukup untuk beberapa umpan kamera, radar, dan lidar dari kendaraan modern yang dilengkapi ADAS. Apa yang dibutuhkan aplikasi otomotif adalah kemampuan jaringan berkecepatan tinggi yang andal yang mempersingkat waktu ke pasar untuk kemampuan baru sekaligus mengurangi bobot. Selain itu, kemampuan untuk mendukung IP di dalam kendaraan akan memudahkan pengembangan perangkat lunak dan meminimalkan kebutuhan akan konverter protokol.

Jika kita mengambil halaman dari dunia teknologi informasi, kita akan melihat bahwa Ethernet adalah teknologi yang sangat dominan bahkan dalam protokol nirkabel. Ethernet adalah tulang punggung yang memberikan kinerja terjamin pada kecepatan data hingga 400 Gbps dalam infrastruktur cloud. Namun, Ethernet tradisional biasanya menggunakan kabel dua atau empat pasang atau serat optik. Jika dibandingkan dengan bus CAN pasangan tunggal, pengkabelan Ethernet tradisional lebih mahal, lebih berat (untuk kabel dua atau empat pasang), atau kurang kuat (untuk serat optik). Jadi, Ethernet pasangan tunggal yang dapat menangani kecepatan data dalam kisaran 1-Gbps akan ideal. Masukkan xBASE-T1 Single Pair Ethernet (SPE).

Standarisasi SPE

Kelompok kerja IEEE 802.3 bertanggung jawab atas standar yang terkait dengan Ethernet. Awalnya distandarisasi pada tahun 1983, Ethernet dalam berbagai bentuknya telah melampaui teknologi pesaing termasuk ARCNET, FDDI, dan Token Ring. Awalnya didasarkan pada kabel koaksial, Ethernet berkembang menjadi penggunaan kabel twisted pair berpelindung dan tidak berpelindung, dan pada awal 1990-an konektor RJ45 (8P8C) di mana-mana menjadi perlengkapan umum pada banyak perangkat komputasi di TI.

Implementasi 10BASE-T asli mengandalkan dua pasangan kawat dengan satu pasangan diferensial digunakan untuk mengirim dan satu pasangan diferensial digunakan untuk menerima. Terbatas hingga 10 Mbits/detik, standar ini jauh lebih cepat daripada pendekatan berbasis coax asli, tetapi menggunakan topologi bintang daripada topologi bus dari solusi coax. Pendekatan star-wired ini mengamanatkan penggunaan hub terpusat yang dikenal sebagai switch Ethernet yang dapat menangani pergerakan data antar perangkat yang terhubung ke port switch. Solusi kabel dua-pasangan yang sama ini dilanjutkan dengan pengenalan Fast Ethernet, atau dikenal sebagai 100BASET, yang mendukung kecepatan data hingga 100 Mbits/detik. Dengan diperkenalkannya Gigabit Ethernet (1000BASE-T), jumlah pasangan kabel berlipat ganda menjadi empat dan kecepatan data melonjak dalam urutan besarnya.

Selain perubahan kecepatan data, teknik yang dikenal sebagai Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.at-2009) memperkenalkan beberapa cara alternatif untuk menyalurkan daya pada kabel Ethernet yang sama dengan data. Mendukung pengiriman hingga 25,5 W pada 48 VDC, PoE memungkinkan untuk menyalakan perangkat jarak jauh seperti kamera pengintai dan titik akses nirkabel. Versi yang lebih baru dikenal sebagai Power over Data Lines (PoDL – IEEE 802.3bu-2016), yang memungkinkan pengiriman hingga 50 W pada 12, 24, atau 48 VDC. PoDL dikembangkan secara khusus untuk pasar xBASE-T1 SPE dan memungkinkan pengiriman data dan daya melalui satu pasangan kabel.

Standar xBASE-T1 dapat dipecah lebih lanjut menjadi 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw), dan 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp). Tabel berikut merangkum fitur utama varian ini:

Huruf “L” pada 10BASE-T1L merupakan singkatan dari “jangkauan panjang” karena panjangnya 1 Km (banyak implementasi sebenarnya dapat melebihi 1 Km tergantung pada kualitas kabel dan jenis konektor). Salah satu dari banyak keuntungan spesifikasi SPE adalah dapat menggunakan kabel fieldbus single twisted pair yang ada. Ini adalah penghematan besar untuk aplikasi industri. Dan, dengan tambahan PoDL, perangkat jarak jauh dapat mendukung komunikasi dan diberi daya melalui segmen kabel yang sama. Sebagai manfaat tambahan, kecepatan data 10 Mbit/dtk secara signifikan lebih cepat daripada implementasi fieldbus yang dimaksudkan untuk menggantikannya.

Sedangkan varian T1L ditargetkan pada aplikasi point-to-point, ada juga varian "jangkauan pendek" (10BASE-T1S) yang disambungkan sebagai implementasi multi-drop untuk menggantikan versi fieldbus umum seperti loop arus 20 mA dan CAN . Jangkauan rasa T1S secara signifikan dipersingkat menjadi 25 m. Namun, penggunaan multi-drop memungkinkan satu kabel berjalan dengan antarmuka port tunggal untuk akses media PHY.

Untuk mendukung akses multi-drop dan menghindari potensi pertengkaran pada kabel, ada dua pendekatan. Yang pertama adalah menggunakan Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) yang mengingatkan kembali pada implementasi Ethernet asli dari tahun 1980-an. Dalam pendekatan ini, setiap stasiun terlebih dahulu mendengarkan lalu lintas di bus sebelum melakukan transmisi. Jika beberapa stasiun mencoba untuk mentransmisikan pada saat yang sama, tabrakan terdeteksi, setiap stasiun berhenti mentransmisikan, menunggu waktu yang singkat secara acak, dan kemudian proses berulang dengan mendengarkan bus yang menganggur dan mencoba mentransmisikan lagi. Ini adalah pendekatan sederhana, tetapi menambahkan elemen stokastik ke komunikasi, yang akan memperkenalkan latensi.

Jika aplikasi sangat sensitif terhadap latensi, mekanisme Penghindaran Tabrakan Lapisan Fisik (PLCA) alternatif dapat ditambahkan ke CSMA/CD, di mana satu stasiun ditunjuk sebagai master, yang mengirimkan suar yang memungkinkan hanya stasiun yang ditunjuk dalam suar untuk mengirimkan (agak seperti implementasi token ring). Ini memfasilitasi penentuan dengan menyediakan slot yang ditentukan untuk setiap stasiun dan menghindari potensi tabrakan karena jumlah stasiun meningkat hingga maksimum 31 stasiun. Perlu dicatat bahwa PoDL belum didefinisikan untuk digunakan dalam aplikasi multi-drop.

Ethernet adalah Ethernet

Salah satu keuntungan signifikan untuk SPE adalah bahwa dalam analisis akhir, itu adalah Ethernet. Jadi, sejauh menyangkut tumpukan protokol, SPE sama seperti setiap segmen Ethernet lainnya. Ini berarti Anda dapat dengan mudah menggunakan protokol IPv4/IPv6 di atas implementasi SPE. Ini adalah penghemat waktu pengembangan perangkat lunak yang sangat besar, karena tim perangkat lunak dapat menggunakan API berbasis IP standar untuk komunikasi. Tidak ada persyaratan untuk konversi protokol dari salah satu varian fieldbus ke IP dan sebaliknya, sehingga mengurangi latensi dan menghilangkan biaya perangkat konverter protokol.

Deteksi kecepatan otomatis di sakelar SPE juga memungkinkan seperti sakelar Ethernet empat-pasangan pada umumnya. Oleh karena itu, satu sakelar dapat menangani segmen 10BASE-T1, 100BASE-T1, dan 1000 BASE-T1 serta mendukung antarmuka Ethernet dua atau empat pasang yang lebih tradisional untuk debugging atau antarmuka ke perangkat keras TI tradisional seperti PC panel. Sakelar juga dapat mendukung PoDL untuk memberi daya pada perangkat jarak jauh jika diperlukan.

Untuk menghindari pencampuran SPE dan segmen Ethernet tradisional secara tidak sengaja, SPE menggunakan konektor IEC 63171-6. Konektor ini adalah standar terbuka dan tersedia dalam versi IP20 dan IP65/67. Pabrikan menyediakan konektor di sisi penyisipan standar, push/pull, dan muka kawin tipe sekrup. Selain itu, ada opsi untuk konektor M8 dan M12 yang ditemukan dalam implementasi fieldbus yang ada.

Outlook

SPE siap memainkan peran penting dalam Industri 4.0. Jaringan Mitra Industri SPE sudah terdiri dari lebih dari 30 produsen yang menyediakan kabel, rakitan, silikon PHY, sakelar Ethernet, dan perangkat evaluasi. Dengan kemampuan untuk memberikan kinerja yang lebih besar, memanfaatkan pabrik kabel yang ada, menyediakan daya, dan menjadi perangkat lunak yang kompatibel dengan implementasi Ethernet tipe TI tradisional, SPE menyediakan jalur peningkatan yang relatif murah untuk mengganti sensor dan aktuator kabel seiring dengan usia sistem yang ada. . Apakah SPE masa depan otomasi industri dan otomotif? Ini tentu memiliki potensi.

Artikel ini ditulis oleh Mike Anderson, Pemimpin Proyek Senior — Arsitek Sistem Tertanam, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Mr. Anderson di michael.e.anderson@ aero.org atau kunjungi di sini .