• Petus
• February 16 2018
• Komerce
• 1224x Přečteno

Sítě Ethernet byly donedávna klasifikovány jako sítě pro kancelářské aplikace. Stále častěji se s nimi setkáváme v aplikacích řízení průmyslových procesů, a dokonce v použitích spojených s bezpečnostními obvody. Jejich použití má četná pozitiva. Jaká? Přesvědčme se na příkladu řešení nabízených firmou Microchip Technology.

V posledních letech můžeme pozorovat, že řešení založená na přenosu dat sítí Ethernet se stávají stále rozšířenější v průmyslových instalacích. Použití sítě Ethernet jako univerzálního média pro přenos dat v rámci řízení průmyslového procesu a současně v segmentu řízení firmy přináší četné výhody. Především umožňuje nahradit mnoho typů doposud existujících sítí jedním.

Typická struktura sítě

Historicky můžeme ve výrobních závodech rozlišit následující úrovně struktury sítí:
- úroveň čidel a akčních členů
Vyznačovala se velkým počtem zařízení při nevelkém množství dat, která byla mezi nimi přenášena.
- úroveň řízení
Na této úrovni pracovala kontrolující zařízení (např. automaty PLC), jejichž počet byl menší než těch výše uvedených, ale rostl objem dat přenášených mezi nimi.
- úroveň monitorování a úroveň spravování
Tyto úrovně se vyznačovalo nevelkým počtem zařízení při velkém objemu dat přenášených mezi nimi. Informace, které se tam současně přenášely, nebyly pro samotný výrobní proces kritické. Zatímco data přenášená na dvou nižších úrovních (čidel a akčních členů a řízení) vyžadovala dodržení přísných režimů co do doby přenosu a jistoty, že vyslaná zpráva dorazí do cíle. Donedávna fungovalo v rámci průmyslového podniku několik druhů sítí, aby bylo možno navzájem sladit tyto požadavky. To však způsobovalo potíže spojené s jejich udržováním a vzájemnou integrací.

Charakteristika sítě Ethernet

Mohlo by se zdát, že síť Ethernet byla od počátku schopná vyhovět nárokům, které se týkají současné obsluhy velkého počtu zařízení (uzlů) a přenosu velkého objemu dat. Objevil se však problém, spojený s tím, že protokol, který používá pro přenos dat, byl nedeterministický. Základní rozdíly mezi protokoly ukazuje následující tabulka.

Deterministický protokol	Nedeterministický protokol
uzel vysílá, když přijde na řadu	uzel vysílá, když je volná linka
uzlům lze přiřazovat prioritu	všechny uzly jsou rovnocenné
v daném okamžiku vysílá jeden uzel	rivalitní mechanismus – jsou možné kolize
omezení týkající se správy udělovaných oprávnění přenosu (priority)	problematický současný přístup několika uzlů k přenosovému médiu

Vývoj sítě Ethernet umožnil postupnou eliminaci jednotlivých omezení, vycházejících z její nedeterministické povahy. V současnosti je díky zvyšující se odolnosti vůči rušení, spolehlivosti přenosu a obrovské propustnosti alternativou ke klasickému přístupu.

Co víc Ethernet umožňuje:
- bezpečné monitorování systémů přes Internet;
- precizní kontrolu průmyslových procesů ve výrobních objektech;
- integraci zařízení využívajících populárních interfejsů, které „jsou zde od vždy”, jako je SPI, paralelní přenos 8/16-bitů a USB.

Nezávisle na druhu dat přenášených sítí Ethernet je protokol obsluhující přenos komplexní a složitý. Specifikaci a standardizaci podléhá médium (ve kterém probíhá přenos – kabely), signály, formát rámců, používané protokoly. Specifikace Ethernet je uváděna v normě IEEE 802.

Produkty Ethernet firmy Microchip Technology

Microchip Technology nabízí mnoho produktů určených pro obsluhu přenosu dat v síti Ethernet. Firma vsadila především na snadnost implementace. V obvodech se používají pokročilé technologie a mechanismy ovlivňující udržení vysoké kvality procesu přenosu dat. Byly podrobeny všestranným testům kompatibility s řešeními existujícími na trhu a platnými u nich normami. Výrobce zpřístupňuje uživatelům bezplatný software a drivery.

Je třeba pamatovat, že s ohledem na stupeň komplikovanosti protokolů používaných v síti Ethernet jsou obvody obsluhující přenos a využívající na maximum možnosti, jaké tento typ síti nabízí, většinou určeny ke spolupráci s mikroprocesorovými systémy. Současně 90 % průmyslových zařízení, obsluhujících přenos Ethernet, pracuje pod kontrolou operačních systémů založených na Linuxu a převážná většina řadičů obsluhuje právě tento OS. Microchip Technology poskytuje vývojové nástroje, které mohou sloužit jako referenční řešení. Výrobce nabízí rovněž službu LANCheck®, která spočívá v ověření a dokončení aplikace, vyvíjené společně se zákazníkem. Mezi řešeními, které prezentuje Microchip, jsou dostupné obvody, které mohou pracovat průmyslovém rozsahu teplot (od -40 °C do +85 °C), a obvody splňující normu Automotive (AEC-Q100).

Zde jsou druhy výrobků Microchipu určené pro obsluhu přenos dat v síti Ethernet:



Vybrané technologie v obvodech Ethernet firmy Microchip Technology

Neustálé zdokonalování obvodů podporujících Ethernet probíhá v oblasti:

I. Snížení spotřeby elektrické energie

Zmenšení množství zařízením spotřebované energie je tím více důležitější, že právní předpisy obsahují v tomto ohledu příslušná nařízení. Jako že Ethernet je přítomen v mnoha obvodech: v mikroprocesorových systémech, datových centrech a zařízeních zařazovaných do kategorie Internet of Things (IoT), Microchip Technology implementoval následující technologie:

- mechanismus pokročilé správy energie Ethergreen™ — zodpovědný za realizaci přenosu v nejnižší fyzické vrstvě. Obvody s tímto mechanismem splňují normy IEEE 802.3az (Energy Efficient Ethernet, EEE). Detekuje se zde stav spojení a v případě neaktivity přechází obvod do stavu nečinnosti (idle state) nebo se uspí, což snižuje množství spotřebovávané energie;
- probuzení obvodu ze stavu uspání — realizované implementovanou funkcí Wake-on_LAN (WoL);
- ultranízká spotřeba proudu ve stavu uspání (Signal Detect Wake Up) <1 µA.

II. Zvýšení determinismu, a tedy schopnosti předvídat přenos v síti Ethernet

- mechanismus synchronizace všech uzlů sítě Ethernet pomocí jednoho zvlášť přesného hodinového signálu (GPS Grand Master Clock). Obvody vybavené tímto mechanismem vyhovují specifikaci IEEE1588v2 / 802.1AS;
- různé mechanismy formování pohybu paketů v síti Ethernet, např. se používá mechanismus AVB (Audio Video Bridging) jako metody přenosu streamů dat audio/video sítí Ethernet — umožňuje přiřazovat prioritu paketům obsahujícím stream dat tohoto typu pro jejich přenos, se zachováním spojitosti a jejich doručením příjemci v přesně stanoveném čase. Jiným mechanismem je Time Aware Traffic Scheduler, kde rovněž lze přiřazovat prioritu vysílaným rámcům dat, aby byly doručeny v přesně určeném časovém režimu se zanedbatelně malým zpožděním – takový mechanismus se používá pro přenos dat mezi automatem PLC a akčním členem (robotem), připojeným sítí Ethernet.

III. Zvýšení spolehlivosti přenosu dat v síti Ethernet

- mechanismus Quiet-Wire® — poskytuje obvodům zvýšenou odolnost vůči šumům, které ruší přenos, jejichž zdrojem jsou externí zařízení a potenciálně médium nikoliv nejlepší jakosti, v němž probíhá přenos (nekvalitní kabely). Zároveň je úroveň emise vlastních šumů, které generují obvody s mechanismem Quiet-Wire®, minimální. Lze tedy používat „ekonomické” verze kabelů při zachování velkého dosahu přenosu (standardně ≥170 metrů);
- mechanismy detekce možných chyb přenosu a jejich automatické opravy — speciální protokoly, jako je DLR (Device Layer Ring) a HSR (High Seamless Redundancy). U prvního z nich je síť Ethernet organizovaná jako síť se strukturou typu „ring”, zatímco u druhého se do sítě zavádějí redundantní pakety pro kritické informace.
- mechanismus LinkMD® testuje a detekuje hardwarové poruchy sítě, jako je přerušení a zkraty - — při jeho použití lze detekovat druh poruchy a vzdálenost, v jaké porucha nastala, od zařízení, ve kterém byl tento mechanismus použit.

Přehled obvodů Microchip Technology podporujících Ethernet

Kromě mikrokontrolérů a mikroprocesorů s implementovanou obsluhou spojové vrstvy (adresa MAC) a fyzické vrstvy (PHY) jsou dostupné:



1. Kontroléry Ethernet

Obvody tohoto typu zajišťují obsluhu nejnižších vrstev síťové komunikace, čili vrstvy fyzické a vrstvy spojové (kontroléry Ethernet mají implementovanou MAC adresu). Obvody komunikují s nadřízeným mikrokontrolérem (MCU) nebo mikroprocesorem/mikroprocesorovým systémem (MPU/SoC) pomocí sériového interfejsu SPI nebo 8/16bitového paralelního interfejsu. Typ použitého interfejsu definuje maximální rychlost výměny dat mezi kontrolérem a procesorem, a v důsledku toho rychlost přenosu dat v síti. Technologie používané v kontrolérech Ethernet jsou mezi jiným EtherSynch®, EtherGreen™(EEE), WoL.

Příkladem kontroléru Ethernet vybaveného pokročilými mechanismy je LAN9250. Podporuje komunikaci ve standardu Ethernet 10Base-T/100Base-TX a má pouzdro QFN64 a TQFP64. Microchip Technology nabízí také jednodušší modely určené pro méně náročné aplikace, podporující komunikaci ve standardu Ethernet 10Base-T. Takovým obvodem je populární ENC28J60.

2. Kontroléry USB-Ethernet (můstky)

Můžeme vybírat z několika desítek typů kontrolérů Ethernet vybavených interfejsem USB, které umožňují rychlou výměnu dat mezi kontrolérem a mikroprocesorem. Můstky USB-Ethernet mohou být použity rovněž pro stavbu adaptéru USB-Ethernet, plnícího mj. funkci externí síťové karty.

Reprezentantem obvodů tohoto typu je LAN7850. Obsluhuje komunikaci Ethernet ve standardu 10Base-T/100Base-T a 1000Base-T (GigE). Výměna dat s procesorem probíhá přes interfejs USB2.0 (s maximální rychlostí přenosu 480 Mbps) nebo přes interfejs HSIC (High-Speed Inter-Connect), který je nízkopříkonovou verzí interfejsu USB, nepřesahující 10 cm a používanou pro bezprostřední komunikaci mezi obvody na dálku. V obvodu LAN7850 je implementována technologie NetDetach™ (přechod řídicího mikroprocesoru do režimu nízké spotřeby energie v případě absence přenosu dat v síti Ethernet) a mechanismus WoL — tím splňuje standardy IEEE802.3az (EEE). LAN7850 může pracovat v průmyslovém rozsahu teplot (-40 °C... +85 °C). Můstek se vyrábí v pouzdru SQFN56. Firma Microchip Technology zpřístupňuje ovladače pro operační systémy Linux, Mac OS a Windows.

3. Transceivery Ethernet

Jsou to obvody, které vysílají a přijímají a pracují v nejnižší, fyzické vrstvě síťové komunikace (PHY). Transceivery komunikují se zařízeními pracujícími ve vyšších vrstvách sítě interfejsů MII/RMII (standard přenosu Ethernet 10/100Base-T) nebo GMII/RGMII (standard přenosu Ethernet 1000Base-T). V těchto obvodech našly uplatnění technologie EtherGreen™ (EEE), Quiet-Wire™, LinkMD™ či WoL.

Příkladem transceiveru s mnoha funkcemi je KSZ8061 (10/100Base-T), který je, kromě výše uvedených, vybaven mechanismy vynucujícími deterministický (předvídatelný) přenos dat v síti Ethernet. Obvod se vyrábí v pouzdru QFN32 a má verzi pro použití v automobilovém průmyslu (kvalifikace AEC-Q100).

4. Síťové přepínače (switche)
Síťové přepínače jsou zařízení používaná tehdy, když vznikne potřeba vzájemného propojení několika segmentů sítě nebo spojení několika pracovních stanic. Obvody pracují ve spojové vrstvě, analyzují tak adresy MAC odesílatele a příjemce zprávy. Díky tomu – na rozdíl od koncentrátorů (hubů) – neposílají elektrický signál z jednoho portu do všech ostatních, ale do segmentu sítě, ve kterém se nachází příjemce zprávy. Tak se snižuje možnost vzniku kolize a dosahuje se větší skutečné rychlosti přenosu dat.

Nyní je dostupných několik desítek obvodů typu switch firmy Microchip Technology, obsluhujících od tří do devíti portů Ethernet. Jedním z nejnovějších je KSZ9477. Má sedm portů Ethernet a obsluhuje interfejsy GMII/RGMII/MII/RMII. Přístup do vnitřních registrů obvodu je možný přes interfejs SPI nebo I2C. V KSZ9477 jsou implementovány mj. takové technologie, jak EtherSynch®, AVB, WoL a mechanismy usnadňující použití protokolů DLR a HSR. Přepínač pracuje v průmyslovém rozsahu teplot (-40 °C... +85 °C) a má pouzdro TQFP128.

Shrnutí
Volba kontroléru závisí především na specifikaci aplikace. V některých stačí jednoduchý kontrolér ovládaný přes SPI, v jiných může být potřeba použití kontroléru s interfejsem USB. Pokud naopak vytváříme sítě sestávající z několika pracovních stanic, pak použití síťového přepínače může výrazně zlepšit propustnost. Abychom správně vybrali, stojí za to vědět, jaké druhy obvodů lze najít na trhu a propojit si jejich základní specifikaci. Není zároveň pochyb, že firma Microchip je jedním z největších světových výrobců obvodů tohoto typu. V nabídce firmy Transfer Multisort Elektronik, oficiálního distributora Microchip, jsou dostupné různé typy obvodů, podporující Ethernet. Více informací lze najít na stránkách www.tme.eu.