Ethernet Satu Pasang: Konektivitas Industri yang Andal
Ethernet Satu Pasang: Konektivitas Industri yang Andal
Di dunia dengan ketergantungan yang meningkat pada komunikasi nirkabel, dunia kabel tampak ketinggalan zaman. Namun, dalam industrial IoT (IIoT), kabel masih merupakan norma. Ada beberapa alasan untuk mempertahankan konektivitas kabel dalam pengaturan industri termasuk interferensi RF, band radio yang padat, persyaratan lisensi, dan responsivitas sederhana.
Tradisional, aplikasi industri telah menjadi target dari teknologi fieldbus tua seperti Profibus, Modbus, CAN, dan lain-lain. Teknologi ini biasanya berdasarkan kabel berpasang bergulung dan umumnya pada tingkat performa 1 Mbps atau kurang. Di dunia industri, biaya adalah segalanya. Jadi, penyeberangan ke sensor dan aktuator perlu murah dan awet. Oleh karena itu, kabel berpasang tunggal adalah norma.
Namun, kita melihat ekspansi revolusi industri keempat yang dikenal juga sebagai Industri 4.0 (I4). I4 ditandai dengan penggunaan komunikasi mesin-ke-mesin (M2M) skala besar dan penerapan Internet of Things (IoT) untuk otomatisasi yang meningkat. Tujuan tren ini adalah penerapan perangkat cerdas yang dapat beroperasi, menganalisis data, dan mengambil tindakan tanpa intervensi manusia. Kunci keberhasilan I4 adalah konektivitas dan performa dengan minimum terjemahan sinyal perantara yang dapat memperkenlatensi. Selain itu, elemen IoT seringkali berpusat pada kemampuan untuk berkomunikasi data dari sensor hingga cloud secara mulus. Di dunia kita saat ini, ini berarti penggunaan tumpukan protokol IP.
Sayangnya, tidak ada teknologi fieldbus tradisional yang biasanya melewati frame IP. Ini berarti ada persyaratan untuk kotak penerjemah yang menterjemahkan dari frame Profibus atau CAN ke IP dan sebaliknya. Ini memperkenlatensi dan meningkatkan biaya. Dan, karena kebanyakan teknologi fieldbus ini relatif lambat dibandingkan komunikasi modern seperti Wi-Fi atau 5G Cellular, pendekatan baru diperlukan untuk mendukung persyaratan komunikasi yang tumbuh dari I4.
Memanfaatkan Kemajuan Otomotif
Di dunia otomotif, kita melihat ledakan jumlah data yang diperlukan untuk sensor yang ditemukan dalam Sistem Bantu Pengemudi Canggih (ADAS). Seperti aplikasi industri tradisional, aplikasi otomotif telah bergantung pada teknologi fieldbus seperti CAN untuk komunikasi antara Unit Kontrol Elektronik (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 banyak feed kamera, radar, dan lidar dari kendaraan modern yang dilengkapi ADAS. Apa yang dibutuhkan aplikasi otomotif adalah kemampuan jaringan yang andal dan berkecepatan tinggi yang mempersingkat waktu ke pasar untuk kemampuan baru sambil mengurangi berat. Selain itu, kemampuan untuk mendukung IP di dalam kendaraan akan mempermudah pengembangan perangkat lunak dan meminimalkan kebutuhan akan konverter protokol.
Jika kita mengambil contoh dari dunia teknologi informasi, kita akan melihat bahwa Ethernet adalah teknologi yang sangat dominan bahkan di hadapan protokol nirkabel. Ethernet adalah tulang punggung yang memberikan performa yang dijamin pada kecepatan data hingga 400 Gbps dalam infrastruktur cloud. Namun, Ethernet tradisional biasanya menggunakan kabel berpasang dua atau empat atau kabel optik. Ketika dibandingkan dengan bus CAN berpasang tunggal, kabel Ethernet tradisional lebih mahal, lebih berat (dalam kasus kabel berpasang dua atau empat), atau kurang kokoh (dalam kasus kabel optik). Jadi, Ethernet berpasang tunggal yang dapat menangani kecepatan data dalam kisaran 1-Gbps akan ideal. Munculah xBASE-T1 Single Pair Ethernet (SPE).
Standarisasi SPE
Kelompok kerja IEEE 802.3 bertanggung jawab atas standar yang terkait dengan Ethernet. Awalnya distandarisasi pada 1983, Ethernet dalam berbagai bentuknya telah mengalahkan teknologi bersaing termasuk ARCNET, FDDI, dan Token Ring. Awalnya berdasarkan kabel koaksial, Ethernet berkembang menjadi penggunaan kabel berpasang terpeles (shielded dan unshielded) dan pada awal tahun 1990 konektor RJ45 (8P8C) yang everywhere menjadi fitur umum pada banyak perangkat komputasi di IT.
Implementasi 10BASE-T asli bergantung pada dua pasang kabel dengan satu pasang diferensial digunakan untuk transmisi dan satu pasang diferensial digunakan untuk penerimaan. Terbatas pada 10 Mbits/sec, standar ini jauh lebih cepat dari pendekatan koaksial asli, tetapi menggunakan topologi bintang daripada topologi bus dari solusi koaksial. Pendekatan ber-syarat ini mewajibkan penggunaan hub terpusat yang dikenal sebagai switch Ethernet yang dapat menangani pergerakan data antara perangkat yang terhubung ke port switch. Solusi kabel berpasang dua yang sama dilanjutkan dengan perkenalan Fast Ethernet, yang dikenal juga sebagai 100BASET, yang mendukung kecepatan data hingga 100 Mbits/sec. Dengan perkenalan Gigabit Ethernet (1000BASE-T), jumlah pasang kabel melipat ganda menjadi empat dan kecepatan data melonjak sebesar satu orde magnitudo.
Selain perubahan dalam kecepatan data, teknik yang dikenal sebagai Power over Ethernet (PoE - IEEE 802.at-2009) memperkenalkan beberapa cara alternatif untuk menyampaikan daya pada kabel Ethernet yang sama dengan data. Mendukung pengiriman hingga 25,5 W pada 48 VDC, PoE memungkinkan pemancaran daya pada perangkat jarak jauh seperti kamera pengawasan 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 khusus untuk pasar SPE xBASE-T1 dan memungkinkan data dan daya disampaikan melalui satu pasang kabel.
Standar xBASE-T1 dapat dibagi lebih lanjut menjadi 10BASE-T1L (IEEE 802.3cg), 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw), dan 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp). Tabel berikut meringkas fitur utama dari varian-varian ini:
“L” dalam 10BASE-T1L berarti “long reach” berkat panjangnya 1 Km (banyak implementasi sebenarnya dapat melebihi 1 Km tergantung pada kualitas kabel dan jenis konektor). Salah satu banyak keuntungan spesifikasi SPE adalah dapat menggunakan jalur kabel fieldbus berpasang tunggal yang ada. Ini adalah penghematan besar untuk aplikasi industri. Dan, dengan penambahan PoDL, perangkat jarak jauh dapat mendukung komunikasi dan diberi daya melalui segmen kabel yang sama. Sebagai manfaat tambahan, kecepatan data 10 Mbit/sec jauh lebih cepat daripada implementasi fieldbus yang dimaksudkan untuk diganti.
Sementara varian T1L ditargetkan untuk aplikasi titik-ke-titik, ada juga varian “short reach” (10BASE-T1S) yang dipasang sebagai implementasi multi-drop untuk mengganti versi fieldbus umum seperti 20 mA current loop dan CAN. Jangkauan varian T1S secara signifikan disingkat menjadi 25 m. Namun, penggunaan multi-drop memungkinkan satu jalur kabel dengan satu antarmuka port untuk media access PHY.
Untuk mendukung akses multi-drop dan menghindari potensi benturan 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 transmisi. Dalam hal banyak stasiun mencoba untuk transmit secara bersamaan, benturan terdeteksi, setiap stasiun berhenti transmit, menunggu waktu acak singkat, dan kemudian proses diulang dengan mendengarkan bus idle dan mencoba transmit lagi. Ini adalah pendekatan sederhana, tetapi menambahkan elemen stokastik ke komunikasi, yang akan memperkenlatensi.
Jika aplikasi sangat sensitif latensi, mekanisme alternatif Physical Layer Collision Avoidance (PLCA) dapat ditambahkan ke CSMA/CD, di mana satu stasiun ditetapkan sebagai master, yang mengirimkan beacon yang memungkinkan hanya stasiun yang ditetapkan dalam beacon untuk transmit (seperti implementasi token ring). Ini memfasilitasi determinasi dengan menyediakan slot yang ditetapkan untuk setiap stasiun dan menghindari potensi benturan saat jumlah stasiun meningkat hingga maksimum 31 stasiun. Harus dicatat bahwa PoDL belum didefinisikan untuk digunakan dalam aplikasi multi-drop.
Ethernet is Ethernet
Salah satu keuntungan signifikan dari SPE adalah pada analisis akhirnya, itu adalah Ethernet. Jadi, sejauh tumpukan protokol berkaitan, SPE sama seperti segmen Ethernet lainnya. Ini berarti Anda dapat dengan mudah menggunakan protokol IPv4/IPv6 di atas implementasi SPE. Ini adalah penghematan waktu pengembangan perangkat lunak yang 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 switch SPE juga merupakan kemungkinan seperti switch Ethernet berpasang empat tipikal. Oleh karena itu, satu switch dapat menangani segmen 10BASE-T1, 100BASE-T1, dan 1000 BASE-T1 serta mendukung antarmuka Ethernet berpasang dua atau empat yang lebih tradisional untuk debugging atau interfacing dengan perangkat IT tradisional seperti panel PC. Switch juga dapat mendukung PoDL untuk memberi daya pada perangkat jarak jauh jika diperlukan.
Untuk menghindari mencampur 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. Produsen menyediakan konektor dalam mating face standar insertion, push/pull, dan screw-type. Selain itu, ada opsi untuk konektor M8 dan M12 yang ditemukan dalam implementasi fieldbus yang ada.
The Outlook
SPE siap memainkan peran yang signifikan dalam Industri 4.0. Jaringan Mitra Industri SPE sudah terdiri dari lebih dari 30 produsen yang menyediakan kabel, rangkaian, silikon PHY, switch Ethernet, dan perangkat evaluasi. Dengan kemampuan untuk memberikan performa yang lebih besar, menggunakan infrastruktur kabel yang ada, memberikan daya, dan kompatibel perangkat lunak dengan implementasi Ethernet tradisional tipe IT, SPE menyediakan jalur upgrading yang relatif rendah biaya untuk mengganti sensor dan aktuator kabel saat sistem yang ada usang. Apakah SPE adalah masa depan otomatisasi industri dan otomotif? Ini tentu memiliki potensi.
Artikel ini ditulis oleh Mike Anderson, Sr. Project Leader — Embedded Systems Architect, The Aerospace Corporation (El Segundo, CA). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Bapak Anderson di michael.e.anderson@ aero.org atau kunjungi di sini.
