في البيئات الصناعية اليوم، تنتشر بنيات الأتمتة المعقدة ومجموعة واسعة من تقنيات التصنيع في جميع الأنظمة الصناعية، وكلها متصلة عبر الشبكات الصناعية. يعد الاتصال المستقر بالشبكة أمرًا بالغ الأهمية للتشغيل العادي للأنظمة الصناعية.
على عكس نشر شبكة Ethernet في البيئات التجارية أو الاستهلاكية، تمثل بيئات Ethernet الصناعية تحديات مادية وكهرومغناطيسية إضافية. تتمتع أجهزة Ethernet PHYs الصناعية- بمتطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بتحمل درجة الحرارة، وارتفاع الجهد، ومتطلبات زمن الوصول، وسرعة الشبكة.
تأثير الكمون على الأتمتة الصناعية
في أنظمة إيثرنت الصناعية، هناك العديد من مصادر التأخير. تحدث بعض حالات التأخير بسبب التوصيلات المادية، عادةً توصيلات الأسلاك وثنائي الفينيل متعدد الكلور. تواجه البيانات أيضًا تأخيرات أثناء مرورها عبر PHY وMAC والمحولات والمكونات الأخرى في اتصال الشبكة. يعد التأخير أيضًا مؤشرًا مرجعيًا مهمًا عند اختيار PHY.
هندسة شبكات الأتمتة الصناعية، TI
على الرغم من أن سلسلة معايير IEEE 802.3 مستمرة في التطور، إلا أنه لا توجد مواصفات واضحة للوقت الذي تستغرقه حزمة البيانات لاجتياز الطبقة المادية (PHY). ومع ذلك، يمكن أن يؤثر زمن الاستجابة بشكل مباشر-على تطبيقات التشغيل الآلي للمصانع في الوقت الفعلي. نظرًا لأن زمن الوصول ليس قيمة محددة لشبكة Ethernet المحددة بواسطة معيار IEEE 802.3 ولا قيمة متزامنة أو قابلة للتكرار لشبكة Ethernet، لذلك، يجب معالجة الانفصال بين تطبيقات Ethernet وتطبيقات التشغيل الآلي للمصنع من خلال البنية الدقيقة لأجهزة الطبقة المادية لشبكة Ethernet (PHYs).
بغض النظر عن طوبولوجيا الشبكة أو البروتوكولات الصناعية، فإن هذه البروتوكولات تشترك في هدف مشترك: توفير تحكم دقيق في العقد المختلفة على الشبكة الصناعية. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق ختم الوقت-للحزم المرسلة والمستقبلة واستخدام هذه الطوابع الزمنية لمزامنة وقت الشبكة عبر عقد الشبكة. تتم مشاركة وقت الشبكة بواسطة البروتوكول داخل حزمة البيانات، وتحدد وحدة الطابع الزمني لكل عقدة ذلك الوقت. أي تغيير في الطابع الزمني يقلل من دقة النظام. تؤدي التأخيرات الأطول أيضًا إلى الحد من التردد الذي يمكن أن تستخدم به الحزم الطوابع الزمنية وتقييد عدد العقد المسموح بها في الشبكة. ولذلك، يجب التقليل من التأخير قدر الإمكان.
طبقة إيثرنت صناعية - Dela
بالنسبة لتطبيقات التحكم في الحركة في الأتمتة الصناعية التي تتطلب تحكمًا دقيقًا، يجب أن تكون أوقات الدورات عادةً في حدود عشرات الميكروثانية. في هذه المستويات، يكون التأخير خلال كل مكون في الشبكة أمرًا بالغ الأهمية. يعد التحكم في تأخير الطبقة المادية لشبكة Ethernet (PHY) عاملاً محددًا بالغ الأهمية لوقت الدورة.
في معايير Ethernet مثل 1000Base-T و100Base-TX، يمكن للأنظمة PHYs ذات زمن الاستجابة التشغيلي المنخفض تحسين وقت الدورة. يمكن أن يؤدي زمن الوصول المنخفض إلى رفع وقت الدورة إلى نفس مستوى إيثرنت بمعدل نقل أسرع، مما يزيد بشكل فعال من عرض النطاق الترددي للشبكة. حاليًا، تعمل معظم تطبيقات Ethernet الصناعية على 100Base-TX Ethernet، لكن العديد من التطبيقات بدأت في التحول إلى 1000Base-T، الذي يوفر عرض نطاق ترددي أعلى. تعمل الطبقة المادية (PHY) ذات زمن الاستجابة المنخفض على زيادة عرض النطاق الترددي للشبكة بشكل فعال وتسهل أيضًا انتقال شبكة Ethernet إلى معدلات بيانات أعلى.
PHY التصميم الداخلي، TI
في شبكات Ethernet مثل 1000Base-T و100Base-TX، يمكن لطبقة PHY ذات زمن انتقال تشغيلي أقل تحسين وقت الدورة. يمكن أن يؤدي زمن الوصول المنخفض إلى زيادة وقت الدورة إلى نفس مستوى إيثرنت بمعدل نقل أسرع، مما يزيد بشكل فعال من عرض النطاق الترددي للشبكة. حاليًا، تعمل معظم تطبيقات Ethernet الصناعية على 100Base-TX Ethernet، لكن العديد من التطبيقات بدأت في التحول إلى 1000Base-T، الذي يوفر عرض نطاق ترددي أعلى. تعمل العناصر PHYs ذات زمن الوصول المنخفض على زيادة عرض النطاق الترددي للشبكة بشكل فعال وتسهل أيضًا انتقال Ethernet إلى معدلات بيانات أعلى.
تحديات أخرى للـ PHY في تطور الإيثرنت الصناعي
من الصعب التحكم في درجة الحرارة في البيئات الصناعية، وتزيد ظروف درجة الحرارة الأكثر صرامة من تعقيد تصميم PHY. يجب أن تكون PHY قادرة على الأداء بأدائها المقدر عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. بشكل عام، يجب أن تكون شبكة Ethernet PHY الصناعية قادرة على العمل في نطاق درجة حرارة يتراوح من -40 إلى 85 درجة وتتحمل درجة حرارة الوصلة القصوى البالغة 125 درجة.
يعد استهلاك الطاقة أيضًا عاملاً حاسمًا في جميع الأوقات، خاصة في Gigabit PHYs، حيث يمكن أن يؤثر استهلاك الطاقة بشكل كبير على إجمالي استهلاك الطاقة للنظام. ميزانية الطاقة المخصصة لطبقة إيثرنت المادية محدودة، ويتطلب كل جهاز متصل طبقتين ماديتين لشبكة إيثرنت، لذلك يجب أن يكون استهلاك الطاقة منخفضًا بما يكفي لتلبية متطلبات الاتصال للجهاز بأكمله. تختار بعض الشركات المصنعة التشغيل-المزدوج للطاقة بالإضافة إلى -المكونات المادية الطبيعية (PHYs) منخفضة الطاقة لتحقيق استهلاك أقل للطاقة.
ملخص
مع استمرار تزايد تعقيد أنظمة التشغيل الآلي للمصانع، يزداد الطلب على نقل المزيد من البيانات بين العقد، مما يزيد من أهمية الحفاظ على{0}}اتصال عالي الأداء داخل المصانع. تعتبر اتصالات أجهزة PHY التي لا تتأثر بالبيئات الصناعية القاسية ذات قيمة عالية لتنفيذ شبكات الإنترنت الصناعية.