10BASE-T1S porta Ethernet fino all'edge, consentendone l'impiego in applicazioni industriali in cui in precedenza non era possibile.
L'aumento della velocità di trasmissione dei dati è stato il punto di forza del progresso di Ethernet, ma non tutte le applicazioni di rete richiedono una velocità elevata. Lo standard IEEE 802.3cg è stato creato per tenere conto di diversi altri fattori importanti. Anche le prestazioni deterministiche in tempo reale, la portata dei cavi, la complessità dell'installazione e i costi di manutenzione della rete sono fattori critici per i casi d'uso industriali.
10BASE-T1S è definito nello standard IEEE 802.3cg. Il suo obiettivo è quello di favorire ulteriormente l'Industria 4.0 estendendo Ethernet fino ai dispositivi edge node, consentendo a un insieme più ampio di applicazioni industriali di utilizzare Ethernet, riducendo la complessità e i costi delle installazioni di reti industriali e sostituendo le vecchie comunicazioni multi-drop.
Un breve profilo di 10BASE-T1S
10BASE-T1S è la variante multi-drop e a breve portata dello standard Ethernet PHY a coppia singola da 10 Mb/s definito nello standard IEEE 802.3. I PHY 10BASE-T1S utilizzano cavi monocoppia non schermati, più economici e facili da implementare rispetto ai cavi multicoppia e/o schermati. Secondo le specifiche, qualsiasi implementazione 10BASE-T1S supporta una portata di almeno 25 metri con almeno 8 nodi.
Spesso i cavi rappresentano il fattore di costo più elevato nell'installazione di una rete. I cavi a coppia singola hanno solo due fili, a differenza dei cavi Ethernet tradizionali che ne utilizzano fino a 8 (4 doppini intrecciati). La tecnologia 10BASE-T1S può ridurre notevolmente i costi, le dimensioni e il peso dei cavi necessari per le installazioni di rete.
La funzionalità multi-drop riduce ulteriormente il numero di cavi consentendo a una singola coppia di connettersi a più nodi. Inoltre, il multi-drop riduce significativamente il numero di PHY e di porte switch necessarie.
L'NCN26010 supera le specifiche IEEE 802.3cg consentendo una portata fino a 50 metri con 8 nodi e fino a 40 nodi su un segmento di 25 metri.
La tecnologia 10BASE-T1S offre ancora più opportunità di riduzione dei costi semplificando la manutenzione della rete e riducendo il numero di standard da supportare. Infatti, 10BASE-T1S può ridurre i costi di installazione della rete eliminando fino al 70% dei cavi e fino all'80% dei costi di implementazione. Inoltre, elimina la necessità di grandi switch, gateway, traduttori di protocollo e il cablaggio e l'alimentazione aggiuntivi che questi richiedono.
Figura 1: In una nuova installazione 10BASE-T1S, un cavo a coppia singola non schermato può sostituire tutti i fili gialli nell'armadio.
Un altro importante progresso introdotto da T1S è il determinismo, grazie all'invenzione del PLCA (Physical Layer Collision Avoidance). Un sistema deterministico è un sistema in cui non è coinvolta alcuna casualità nello sviluppo degli stati futuri del sistema. In altre parole, per un dato stato iniziale, un sistema deterministico restituirà sempre lo stesso output o raggiungerà lo stesso stato futuro. Nel contesto di Industrial Ethernet, la comunicazione deterministica è la capacità della rete di garantire che un evento si verifichi (o che un messaggio venga trasmesso) entro un determinato lasso di tempo. Questo fenomeno è talvolta definito "risposta limitata". Un'applicazione è considerata deterministica se si può garantire che il suo tempo di risposta rientri in un certo margine di errore. Il determinismo fornisce una misura di affidabilità per cui la comunicazione o l'output non solo saranno corretti, ma avverranno anche in un tempo specificato. Affinché un sistema possa essere considerato in tempo reale, deve specificare un tempo massimo entro il quale rispondere a un evento o trasmettere un messaggio. Un sistema non in tempo reale, invece, è un sistema che funziona a una velocità costante, senza scadenze. È importante notare che il determinismo è una qualità distintiva di un sistema in tempo reale.1
Le reti che utilizzano CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) non sono deterministiche. Invece, si affidano alle statistiche per avere accesso al mezzo condiviso. Il principio fondamentale del CSMA/CD è che il PHY rileva se un'altra stazione sta trasmettendo (rilevamento della portante), consentendo al MAC di rinviare qualsiasi trasmissione finché la linea non è libera. Tuttavia, se non viene rilevata alcuna portante, più MAC possono iniziare una trasmissione in contemporanea, creando una collisione fisica. Ciò accade in particolar modo alla fine di una trasmissione, quando più MAC differenti possono rilevare la fine della portante contemporaneamente o, più precisamente, all'interno della stessa finestra temporale, detta finestra di collisione. La finestra di collisione è determinata dal ritardo di propagazione della rete, inclusa la lunghezza del cavo e le caratteristiche di implementazione PHY. Quando si verifica una collisione, il PHY lo segnala al MAC, che a sua volta interrompe e riprogramma la trasmissione in corso. Prima che il MAC effettui un nuovo tentativo di trasmissione del frame, si ferma per un intervallo di tempo casuale, chiamato backoff, in cui il limite superiore aumenta esponenzialmente con il numero di tentativi di trasmissione (consecutivi) falliti. Ciò riduce progressivamente, ma non elimina mai completamente, la possibilità di collisioni successive. Il backoff casuale determina un'enorme variabilità nei tempi di accesso, che potrebbe addirittura determinare la mancata trasmissione (eliminazione) del pacchetto dopo dieci tentativi di trasmissione falliti. Di conseguenza, CSMA/CD mostra prestazioni in tempo reale molto scarse. È noto che le reti CSMA/CD funzionano in modo affidabile in ambienti non in tempo reale se il carico medio non supera il 30% della larghezza di banda di rete disponibile. Un altro effetto collaterale del CSMA/CD è il cosiddetto effetto "cattura", per cui un nodo può ripetutamente ottenere accesso alla rete per un periodo di tempo molto lungo. Potenzialmente, finché il MAC avrà frame da trasmettere. Pertanto, anche l'equità dell'accesso è una questione di grande importanza per CSMA/CD quando si considerano le prestazioni in tempo reale. Infine, il meccanismo di rilevamento delle collisioni nel PHY può essere piuttosto complesso e può produrre prestazioni molto scarse in presenza di rumore elevato, frequente negli ambienti industriali. Di conseguenza, le reti CSMA/CD non sono adatte a molte applicazioni industriali che richiedono prestazioni deterministiche e affidabili in tempo reale.
Il metodo PLCA, d'altro canto, consente di calcolare la latenza di accesso ai media nel caso peggiore in funzione del numero di nodi e dell'MTU (dimensione massima del frame) della rete, che è configurabile. I PHY 10BASE-T1S (come quello integrato nell'NCN26010) in genere impiegano PLCA, un elemento fondamentale per le applicazioni in tempo reale che richiedono prestazioni deterministiche, come l'automazione automobilistica, industriale e degli edifici. PLCA è progettato per garantire un funzionamento senza collisioni su reti half-duplex e multi-drop. Con PLCA in atto, il ciclo di trasmissione inizia con un beacon (un segnale di livello fisico da 2,4 µs) inviato dal nodo coordinatore (Nodo 0) che i nodi della rete utilizzano per la sincronizzazione. Dopo l'invio del beacon, il Nodo 0 ha l'opportunità di trasmettere. Se il Nodo 0 non ha dati da inviare, cede la sua opportunità al Nodo 1 dopo un tempo molto breve (di default, il tempo necessario per trasmettere 32 bit, ovvero 3,2 µs). In caso contrario, se il Nodo 0 ha dati da trasmettere, può inviare un pacchetto fino alla dimensione massima del frame consentita (MTU) configurabile della rete, che per impostazione predefinita è 1500 byte. Questo processo continua finché a ciascun nodo non viene offerta un'opportunità di trasmissione. Un nuovo ciclo viene quindi avviato dal nodo master, che invia un altro beacon. Per impedire che un nodo blocchi il bus, una funzione Jabber interrompe la trasmissione di un nodo se supera la dimensione massima consentita del frame, consentendo al nodo successivo di trasmettere. In questo modo si risolve il problema dell'"idiota balbettante" che affligge diverse tecnologie multi-drop. Il risultato è che non c'è alcun impatto sulla velocità di elaborazione dei dati e non ci sono collisioni sul bus. L'architettura PLCA consente di utilizzare 10BASE T1S in applicazioni industriali rumorose che richiedono prestazioni deterministiche in tempo reale.2
Un altro requisito importante per molte reti industriali con esigenze deterministiche e in tempo reale è la capacità di funzionare in modo affidabile in ambienti EMC difficili. Mentre molti altri standard Ethernet non sono stati progettati per supportare gli ambienti EMC industriali, 10BASE-T1S è stato progettato tenendo presenti tali requisiti. Il risultato è che 10BASE T1S con cavi a coppia singola non schermati offre prestazioni EMC eccezionali rispetto alle tecnologie esistenti. Utilizzando 10BASE-T1S è possibile progettare sistemi che soddisfano i requisiti EMI IEC61000-4-6 di Classe 3 (iniezione di rumore in modo comune di 10 Vrms ) con cavi a coppia singola non schermati. La PLCA svolge inoltre un ruolo fondamentale nell'immunità elettromagnetica: sapendo che il bus è esente da collisioni, il ricevitore PHY può impiegare tecniche avanzate per recuperare il segnale in presenza di elevati livelli di rumore.
Un'altra caratteristica interessante del metodo PLCA è che, pur cambiando il modo in cui i nodi accedono ai supporti, non modifica il MAC. Le implementazioni PHY 10BASE-T1S possono essere connesse a un MAC CSMA/CD standard utilizzando una porta MII legacy. Ciò è possibile perché il meccanismo di prevenzione delle collisioni è completamente implementato nel livello fisico (da cui il nome PLCA), mentre il MAC reagisce normalmente alla segnalazione di rilevamento della portante e di rilevamento delle collisioni. In altre parole, il PHY fornisce una sorta di "realtà aumentata" al MAC standard attraverso i segnali CRS e COL MII.
Controller Ethernet 10BASE-T1S
Il controller Ethernet NCN26010 10BASE-T1S è un elemento fondamentale per l'installazione e la manutenzione di reti industriali convenienti che consentono alle aziende di realizzare la visione dell'Industria 4.0.
- Porta Ethernet fino all'edge
- Consente la progettazione di sistemi deterministici in tempo reale richiesti da molte applicazioni industriali
- Funziona con cavi a coppia singola non schermati
- Riduce la complessità e il costo delle installazioni di rete
- Elimina la necessità di grandi switch, gateway, traduttori di protocollo e il cablaggio e l'alimentazione aggiuntivi che questi richiedono
- Riduce i costi di manutenzione del software perché non è necessario gestire più tecnologie
- Riduce la complessità della manutenzione della rete riducendo il numero di standard di rete da mantenere. Ciò può essere fatto sostituendo gli standard punto-punto e multi-punto legacy (inclusi RS-485, CAN, FlexRay, RS-232 e HART) con Ethernet 10BASE-T1S
- Consente una maggiore velocità di elaborazione dei dati sui cavi esistenti, eliminando la necessità di installare nuovi cavi, che spesso rappresentano il fattore di costo più elevato in un'installazione di rete
- Progettato tenendo conto dei requisiti EMC sia per l'industria che per l'automotive
- Conforme a PHY con tecnologia PoDL (Power over Data Lines)
Ecco alcuni esempi di applicazione di 10BASE-T1S:
- Ascensori: ridurre il cablaggio all'interno della cabina e sulle unità di controllo per piano (display e pulsante di chiamata)
- Armadi industriali: riduce la complessità e i costi di installazione
- Sensori in rete: Ethernet che può arrivare fino ai nodi edge dei sensori con un massimo di 40 nodi su un singolo segmento SPE di 25 metri, 5 volte i requisiti dello standard IEEE 802.3cg
- Illuminazione stradale: aggiungere stazioni di ricarica per veicoli elettrici all'illuminazione stradale
- Comunicazioni all'interno del sistema: Ethernet 10BASE-T1S può sostituire la maggior parte dei bus e backplane I2C, SPI e altri bus integrati (ad esempio, schede madri e switch dei server). Riduce notevolmente le attività legate al software e alla manutenzione. Semplifica il layout e la distribuzione della potenza senza influire sulla velocità dei dati o sulle latenze.
- Automazione degli edifici: semplifica i sistemi di controllo degli accessi agli edifici
- Treno/Tram/Autobus: ridurre il cablaggio nei moduli porta e nei sistemi di sorveglianza e di chiamata di emergenza. Un'architettura Ethernet unificata rende la manutenzione e la complessità del sistema più gestibili
- Automotive: ridurre il peso, la complessità e i costi del cablaggio. Inoltre, consente architetture orientate ai servizi fino al limite dell'IVN
Un tipico controller PHY Ethernet 10BASE-T1S fornisce le funzioni del livello fisico necessarie per trasmettere e ricevere dati tramite un cavo a coppia singola non schermato e supporta la comunicazione con un MAC tramite un'interfaccia MII standard. Tuttavia, il controller Ethernet NCN26010 di onsemi integra PHY e MAC in un singolo dispositivo MACPHY, portando Ethernet a sensori e altri dispositivi industriali che utilizzano MCU di fascia medio-bassa senza MAC integrato. Ciò, a sua volta, riduce significativamente la complessità del sistema e offre la flessibilità necessaria per riutilizzare i nodi in configurazioni di sistema in continua evoluzione dopo le installazioni iniziali.
Figura 2: Un dispositivo MACPHY può connettersi a controllori industriali, sensori e altri dispositivi che potrebbero non includere un MAC.
Ricetrasmettitore Ethernet MACPHY
Il modello NCN26010 di onsemi è il primo MACPHY Ethernet 10BASE-T1S sul mercato. Si tratta di un transceiver Ethernet MACPHY integrato in grado di collegare sensori, attuatori e altri dispositivi industriali senza bisogno di un dispositivo MAC esterno.
Il modello NCN26010 presenta due importanti caratteristiche distintive. La prima è la modalità di immunità al rumore migliorata con prestazioni BER (bit error rate) superiori, che consente una portata fino a 50 metri con 8 nodi, il doppio del requisito dello standard IEEE 802.3cg. NCN26010 soddisfa il test di immunità condotta IEC6100-4-6 a 10 Vrms, garantendo così un rilevamento affidabile del segnale in ambienti industriali rumorosi. Il secondo è la minore capacità sui pin di linea, che consente di collegare più nodi su un singolo segmento. Consente fino a 40 nodi su un singolo cavo a coppia singola da 25 metri, ovvero cinque volte superiore ai requisiti stabiliti dallo standard IEEE 802.3cg.
Figura 3: NCN26010 è caratterizzato da una bassa capacità di linea per offrire fino a 40 nodi su un singolo cavo a coppia singola non schermato da 25 metri.
NCN26010 riduce inoltre i costi di manutenzione del software poiché adotta l'approccio a strati Ethernet. Di conseguenza, la modifica dei PHY Ethernet non richiede modifiche nei livelli software superiori.
Ethernet industriale fino all'edge
NCN26010 può aiutare le aziende a sfruttare i vantaggi dell'Industria 4.0 offrendo una soluzione Ethernet utilizzabile in luoghi in cui in passato non era possibile o pratico. 10BASE-T1S offre la possibilità di espandere la connettività Ethernet fino ai margini delle reti industriali, semplificando al contempo le architetture e riducendo i costi di installazione e manutenzione della rete.
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Riferimenti
1 Controllo deterministico in tempo reale: cosa significa realmente nelle applicazioni di controllo del movimento?
2 Ethernet 10BASE-T1S e 10BASE-T1L stanno reinventando la connettività veicolare e industriale – Microwave Product Digest