در محیط‌های صنعتی امروزی، معماری‌های پیچیده اتوماسیون و طیف گسترده‌ای از فن‌آوری‌های تولیدی در سراسر سیستم‌های صنعتی رایج هستند که همگی از طریق شبکه‌های صنعتی به هم متصل می‌شوند. یک اتصال شبکه پایدار برای عملکرد عادی سیستم های صنعتی بسیار مهم است.
برخلاف استقرار اترنت در محیط‌های تجاری یا مصرف‌کننده، محیط‌های اترنت صنعتی چالش‌های فیزیکی و الکترومغناطیسی بیشتری دارند. PHYهای اترنت درجه صنعتی{1}}از نظر تحمل دما، نوسانات ولتاژ، الزامات تأخیر و سرعت شبکه الزامات بسیار سختگیرانه ای دارند.
تاثیر تاخیر بر اتوماسیون صنعتی
در سیستم های اترنت صنعتی، منابع تاخیر زیادی وجود دارد. برخی از تأخیرها ناشی از اتصالات فیزیکی است، معمولاً سیم کشی و اتصالات PCB. داده ها همچنین هنگام عبور از PHY، MAC، سوئیچ ها و سایر اجزای اتصال شبکه با تاخیر مواجه می شوند. تاخیر همچنین یک شاخص مرجع مهم در هنگام انتخاب PHY است.
Industrial Automation Network Architecture, TI
اگرچه سری استانداردهای IEEE 802.3 به تکامل خود ادامه می‌دهد، اما هیچ مشخصات صریحی برای مدت زمانی که یک بسته داده برای عبور از PHY طول می‌کشد وجود ندارد. با این حال، تأخیر می‌تواند مستقیماً بر برنامه‌های{2}} اتوماسیون کارخانه تأثیر بگذارد. از آنجایی که تأخیر نه یک مقدار تعریف شده برای اترنت است که توسط استاندارد IEEE 802.3 مشخص شده است و نه یک مقدار ذاتی همزمان یا قابل تکرار اترنت، بنابراین، قطع ارتباط بین اترنت و برنامه‌های اتوماسیون کارخانه باید از طریق معماری دقیق دستگاه‌های لایه فیزیکی اترنت (PHYs) برطرف شود.
صرف نظر از توپولوژی شبکه یا پروتکل های صنعتی، این پروتکل ها یک هدف مشترک دارند: ارائه کنترل دقیق بر روی گره های مختلف در یک شبکه صنعتی. این را می توان با مهر کردن بسته های ارسالی و دریافتی زمان-و استفاده از این مهرهای زمانی برای همگام سازی زمان شبکه در گره های شبکه به دست آورد. زمان شبکه توسط پروتکل در داده های بسته به اشتراک گذاشته می شود و واحد مهر زمانی هر گره آن زمان را مشخص می کند. هر گونه تغییر در مهر زمانی دقت سیستم را کاهش می دهد. تأخیرهای طولانی‌تر همچنین فرکانس استفاده بسته‌ها از مهرهای زمانی را محدود می‌کند و تعداد گره‌های مجاز در شبکه را محدود می‌کند. بنابراین باید تا حد امکان تاخیرها را به حداقل رساند.
اترنت صنعتی PHY - دلا
برای کاربردهای کنترل حرکت در اتوماسیون صنعتی که نیاز به کنترل دقیق دارند، زمان چرخه معمولاً باید در ده‌ها میکروثانیه باشد. در این سطوح، تاخیر از طریق هر جزء در شبکه بسیار مهم است. کنترل تاخیر لایه فیزیکی اترنت (PHY) یک عامل محدود کننده بسیار حیاتی برای زمان چرخه است.
در استانداردهای اترنت مانند 1000Base-T و 100Base-TX، PHYهایی با تأخیر عملیاتی کمتر می‌توانند زمان چرخه را بهبود بخشند. تأخیر کمتر می تواند زمان چرخه را به همان سطح اترنت با سرعت انتقال سریع تر برساند و به طور موثر پهنای باند شبکه را افزایش دهد. در حال حاضر، اکثر برنامه های کاربردی اترنت صنعتی بر روی 100Base-TX Ethernet کار می کنند، اما بسیاری از برنامه ها در حال انتقال به 1000Base-T هستند که پهنای باند بالاتری را ارائه می دهد. PHY با تأخیر کمتر به طور موثر پهنای باند شبکه را افزایش می دهد و همچنین انتقال اترنت به نرخ داده بالاتر را تسهیل می کند.
طراحی داخلی PHY، TI
در شبکه‌های اترنت مانند 1000Base-T و 100Base-TX، یک PHY با تأخیر عملیاتی کمتر می‌تواند زمان چرخه را بهبود بخشد. تأخیر کمتر می تواند زمان چرخه را به همان سطح اترنت با سرعت انتقال سریعتر افزایش دهد، که به طور موثر پهنای باند شبکه را افزایش می دهد. در حال حاضر، اکثر برنامه های کاربردی اترنت صنعتی بر روی 100Base-TX Ethernet کار می کنند، اما بسیاری از برنامه ها در حال انتقال به 1000Base-T هستند که پهنای باند بالاتری را ارائه می دهد. PHYهای با تأخیر کمتر به طور موثر پهنای باند شبکه را افزایش می دهند و همچنین انتقال اترنت به نرخ داده بالاتر را تسهیل می کنند.
چالش های دیگر برای PHY در تکامل اترنت صنعتی
کنترل دما در محیط های صنعتی دشوار است و شرایط دما سخت تر به پیچیدگی طراحی PHY می افزاید. PHY باید بتواند عملکرد رتبه بندی شده خود را در محدوده دمایی وسیعی انجام دهد. به طور کلی، اترنت صنعتی PHY باید بتواند در محدوده دمایی -40 تا 85 درجه کار کند و حداکثر دمای اتصال 125 درجه را تحمل کند.
مصرف برق همچنین یک فاکتور حیاتی در هر زمان است، به ویژه در PHY های گیگابیتی، که در آن مصرف برق می تواند به طور قابل توجهی بر مصرف برق کل سیستم تأثیر بگذارد. بودجه توان اختصاص داده شده به لایه فیزیکی اترنت محدود است و هر دستگاه متصل به هم به دو لایه فیزیکی اترنت نیاز دارد، بنابراین مصرف برق باید به اندازه کافی کم باشد تا نیازهای اتصال کل دستگاه را برآورده کند. برخی از تولیدکنندگان، برای دستیابی به مصرف انرژی کمتر، علاوه بر PHYهای کم مصرف،-دوگانه{2}}کارکرد برق را نیز انتخاب می‌کنند.
خلاصه
همانطور که پیچیدگی سیستم‌های اتوماسیون کارخانه همچنان در حال رشد است، تقاضا برای انتقال داده‌های بیشتر بین گره‌ها افزایش می‌یابد و حفظ اتصال با عملکرد بالا در کارخانه‌ها به طور فزاینده‌ای مهم می‌شود. اتصالات سخت افزاری PHY که تحت تأثیر محیط های صنعتی خشن قرار نمی گیرند، برای اجرای شبکه های اینترنتی صنعتی بسیار ارزشمند هستند.