Figura 1: La Industria 4.0 trae consigo nuevas exigencias a las redes industriales.
Autor: Arndt Schuebel, Marketing Técnico / Aplicación de conectividad cableada en I4.0, onsemi
El aumento de las velocidades de transmisión de los datos suele ser el principal punto de atención cuando se desarrollan nuevos protocolos de comunicación de datos. Sin embargo, muchos de los innumerables sensores y actuadores que funcionan en aplicaciones de automatización industrial y de edificios necesitan algo que más que unas velocidades rápidas de los datos para un funcionamiento correcto. Estos “edge devices” (dispositivos periféricos) se interconectan en la actualidad por medio de una gran cantidad de protocolos multipunto de tipo tradicional que aumentan el grado de complejidad y los costes a los fabricantes de equipos originales (OEM) que les ofrecen soporte. Teniendo esto en cuenta, el IEEE estableció un grupo de trabajo para estudiar una tecnología de red de corta distancia que pudiera suministrar una velocidad de los datos de 10 Mb/s a través de un solo par de cables Ethernet (SPE) para cubrir las necesidades de mercados como industria 4.0 y automoción, entre otros.
Este trabajo culminó en 2019 con la presentación de la norma IEEE 802.3cg, que ahora ofrece las ventajas de SPE en el “edge”. En este artículo se explican los principales factores que impulsan el desarrollo de 10BASE-T1S, una versión para distancias cortas de SPE que surgió a partir de esta nueva norma, antes de describir las características de un nuevo transceptor Ethernet de onsemi ya disponible que lleva las ventajas de 10BASE-T1S a aplicaciones de automatización industrial y de edificios, entre otras.
Configuración del entorno para SPE industrial
Si bien ya existían diversos tipos de SPE punto-punto capaces de proporcionar rápidamente (y de superar) las velocidades de transmisión de los datos necesarias en aplicaciones industriales, las de tipo multipunto no podían ofrecer el determinismo requerido para que los robots y actuadores móviles reaccionaran casi en tiempo real. Esto se debe a que utilizan CSMA/CD (carrier-sense multiple access with collision detection) para arbitrar el acceso a un medio compartido (cable) en una red multipunto. CSMA/CD presenta unas latencias aleatorias provocadas por las colisiones de los datos, de ahí que le resulte imposible garantizar que un dispositivo pueda transmitir y se pueda comunicar de manera fiable con un receptor dentro de un intervalo de tiempo definido. Para solucionar este inconveniente se desarrolló una nueva forma de regular el control de acceso al medio en 10BASE-T1S, un protocolo de red diseñado para la comunicación de datos multipunto a velocidades de hasta 10Mb/s mediante cables con una longitud de hasta 25 metros. La función PLCA (physical layer collision avoidance) garantiza la máxima latencia en una red multipunto semidúplex. Un ciclo de transmisión de PLCA se inicia cuando un nodo coordinador (Nodo 0) envía un beacon a la que luego se pueden sincronizar otros nodos de la red. Una vez lanzado el beacon, se envía la opción de transmitir al Nodo 1. Si este nodo no tiene datos que enviar, la opción pasa al Nodo 2. Este proceso continúa hasta que cada nodo ha recibido como mínimo una oportunidad de transmisión (transmit opportunity, TO). El nodo coordinador reinicia a continuación el ciclo enviando otro beacon. Para evitar que un nodo bloquee el bus solo se permite transmitir cierta cantidad de tramas por TO, todo ello regulado por los ajustes del modo ráfaga, que por defecto permite una trama por TO pero se puede fijar en 128 tramas por TO. No se pueden producir colisiones de datos en el bus, por lo que su rendimiento no se ve afectado.
Figura 2: Ciclo de control de acceso al medio con PLCA.
El cableado era otra barrera para el despliegue de Ethernet tradicional en la industria. Los cables de Ethernet estándar tienen cuatro pares de hilos, lo cual aumenta su coste y dificulta su instalación. 10BASE-T1S se desarrolló para su funcionamiento con un solo par de hilos, de ahí que ocupan menos tamaño, se manejan con más facilidad y su coste es notablemente inferior.
Junto al rendimiento en tiempo real y el determinismo, el funcionamiento fiable dentro de entornos adversos y con ruido eléctrico es un requisito fundamental para una red industrial. Si bien las versiones más antiguas de Ethernet no fueron diseñadas para compatibilidad electromagnética (EMC), 10BASE-T1S sí fue diseñada teniendo en cuenta estos entornos adversos. Como resultado de ello, 10BASE‑T1S muestra una excelente respuesta de EMC si compara con otras redes industriales. Con 10BASE-T1S ahora es posible diseñar sistemas que cumplan los requisitos de EMI Clase 3 de IEC61000-4-6 (10 Vrms de inyección de ruido en modo común) incluso si se usan cables single-pair sin blindaje. PLCA es clave para esta mejora de la inmunidad electromagnética porque al eliminar las colisiones permite que el transceptor de la capa física emplee técnicas avanzadas que pueden recuperar una señal incluso en presencia de altos niveles de ruido eléctrico.
SPE en la industria
Los OEM de equipamiento y los operadores de plantas industriales están llamados a verse muy beneficiados con 10BASE-T1S de varias maneras. En las instalaciones industriales, muchas tecnologías de comunicación vienen conectando tradicionalmente dispositivos (RS-485, UART) en la capa física (PHY) y varios protocolos de Fieldbus en la capa de enlace de datos. Estos nodos conectan todo, desde sensores de temperatura y presión, actuadores robóticos y de climatización, ventiladores, supervisores de tensión, convertidores de potencia y otros módulos hasta los armarios de control con bajas velocidades de transmisión de los datos. La capacidad multipunto de 10BASE-T1S permite conectar estos dispositivos a un solo cable compartido, por lo que se pueden retirar (o sustituir) sin que ello afecte al rendimiento general de la red ni deje el proceso inactivo, de modo que simplifica enormemente y reduce el coste de mantenimiento de la red. La sustitución de antiguas redes industriales multipunto por 10BASE-T1S también elimina la necesidad de grandes conmutadores, puertas de enlace y convertidores de protocolo junto con el cableado y la alimentación que precisan.
Transceptor MACPHY 2 en 1
Los controladores 10BASE-T1S Ethernet PHY solo proporcionan las funciones de la capa física necesarias para transmitir y recibir datos a través de un cable de un solo par sin blindaje y ofrecer comunicación con un MAC a través de una interfaz MII (Media Independent Interface). Sin embargo, el NCN26010 (Figura 3) de onsemi es un transceptor Ethernet conforme a IEEE 802.3cg que ha sido diseñado para eliminar este enfoque en dos capas integrando un controlador MAC (Media Access Controller), una subcapa de reconciliación (Reconciliation Sublayer, RS) PLCA y una 10BASE−T1S PHY en un solo encapsulado. Esto significa que puede proporcionar todas las funciones de la capa física necesarias para transmitir y recibir datos a través de un solo par trenzado sin blindaje y comunicarse con un microcontrolador host por medio del protocolo MACPHY SPI de Open Alliance. La integración de PHY y MAC en un solo dispositivo MACPHY permite usar Ethernet con sensores y otros dispositivos industriales con microcontroladores de gama media y baja que no integran un MAC. Esto reduce notablemente la complejidad y ofrece la flexibilidad necesaria para reconfigurar los nodos tras la instalación inicial del sistema.
Figura 3: El transceptor NCN26010 10BASE-T1S de onsemi.
El NCN26010 también aporta otras ventajas destacables. En primer lugar, ofrece un modo con una mayor inmunidad al ruido caracterizado por su BER (bit error rate) superior que cumple los requisitos de prueba de inmunidad conducida especificados en IEC6100-4-6 a 10 Vrms para asegurar la detección la señal en entornos industriales con ruido. Esto permite que el NCN26010 admita ocho nodos con longitudes del cable de hasta 50 metros (el doble de lo que exige la norma IEEE 802.3cg). En segundo lugar, la capacidad reducida de las patas del dispositivo permite conectar hasta 40 nodos a un cable de un solo par de
25 metros, superando así lo exigido por IEEE 802.3cg en un factor 5. El NCN26010 también disminuye el coste de mantenimiento del software adoptando el método por capas de Ethernet de manera que cambiar Ethernet PHY no afecte a las capas superiores de software. El transceptor NCN26010 se suministra en encapsulados de bajo perfil QFN32 de 4 mm x 4mm o TQFP32 de 5mm x 5mm. Junto con las plantas industriales, este transceptor también se puede utilizar en automatización de edificios (ascensores y sensores inteligentes), alumbrado público, transporte ferroviario y otras aplicaciones de automoción.
Conectividad entre la nube y el edge
Ethernet ha evolucionado de manera considerable desde sus primeros años, cuando se utilizaba principalmente para conectar dispositivos informáticos, hasta las numerosas versiones actuales que permiten cumplir los requisitos de velocidad y distancia de muchas aplicaciones diferentes. 10BASE-T1S es el eslabón perdido que se necesita para aplicaciones multipunto de tipo determinístico en la industria y en otras aplicaciones en el edge.
