Am 5. Februar dieses Jahres wurde ein neuer Standard für 10-Mbit-Ethernet verabschiedet. Ja, Sie haben richtig gelesen: zehn Megabit pro Sekunde.
Warum ist im 21. Jahrhundert eine so „kleine“ Geschwindigkeit nötig? Um den Zoo zu ersetzen, der sich unter dem weitläufigen Namen „Feldbus“ verbirgt – Profibus, Modbus, CC-Link, CAN, FlexRay, HART usw. Es gibt zu viele davon, sie sind untereinander inkompatibel und relativ schwer zu konfigurieren. Und Sie möchten nur noch das Kabel an den Schalter anschließen, und das war’s. Wie bei normalem Ethernet.
Und bald wird es möglich sein! Treffen Sie „802.3cg-2019 – IEEE-Standard für Ethernet – Änderung 5: Spezifikationen und Verwaltungsparameter der physikalischen Schicht für 10 Mbit/s-Betrieb und zugehörige Stromversorgung über ein einzelnes symmetrisches Leiterpaar“.
Was ist an diesem neuen Ethernet interessant? Erstens funktioniert es mit einem Twisted Pair, nicht mit vier. Daher verfügt es über weniger Anschlüsse und dünnere Kabel. Und Sie können das bereits verlegte Twisted-Pair-Kabel zu den Sensoren und Aktoren verwenden.
Man kann argumentieren, dass Ethernet bis zu 100 Meter weit funktioniert und die Sensoren viel weiter entfernt sind. Tatsächlich war das früher ein Problem. Aber 802.3cg funktioniert in einer Entfernung von bis zu 1 km! Ein Paar! Nicht schlecht?
Tatsächlich ist es sogar noch besser: Die Stromversorgung kann auch über dasselbe Paar erfolgen. Da fangen wir an.
IEEE 802.3bu Power over Data Lines (PoDL)
Ich denke, viele von Ihnen haben von PoE (Power over Ethernet) gehört und wissen, dass für die Stromübertragung zwei Kabelpaare erforderlich sind. Die Leistungsaufnahme/-abgabe erfolgt an den Mittelpunkten der Transformatoren jedes Paares. Mit nur einem Paar ist das nicht möglich. Also musste ich es anders machen. Wie das genau geht, zeigt die Abbildung unten. So ist beispielsweise auch klassisches PoE hinzugekommen.
Hier:
PSE - Power Sourcing Equipment (Stromversorgung)
PD – Powered Device (Gerät am anderen Ende, das Strom verbraucht)
Ursprünglich hatte 802.3bu 10 Leistungsklassen:
Drei bedingte Abstufungen der Quellspannung werden farblich hervorgehoben: 12, 24 und 48V.
Legende:
Vpse – Versorgungsspannung, V
Vpd min – Mindestspannung an PD, V
I max – maximaler Strom in der Leitung, A
Ppd max – maximaler Stromverbrauch PD, W
Mit der Einführung des 802.3cg-Protokolls wurden 6 weitere Klassen hinzugefügt:
Natürlich müssen sich PSE und PD bei dieser Vielfalt vor dem Anlegen der vollen Spannung auf die Leistungsklasse einigen. Dies erfolgt mittels SCCP (Serial Communications Classification Protocol). Es handelt sich um ein Protokoll mit niedriger Geschwindigkeit (333 bps), das auf 1-Wire basiert. Es funktioniert nur, wenn die Hauptstromleitung nicht anliegt (auch im Ruhemodus).
Das Blockschaltbild zeigt, wie die Leistung angelegt wird:
- Es wird ein Strom von 10 mA angelegt und das Vorhandensein einer 4-V-Zenerdiode am anderen Ende überprüft
- Die Leistungsklasse wird ausgehandelt
- Hauptspeise wird serviert
- Sinkt der Verbrauch unter 10mA, wird der Schlafmodus aktiviert (Standby-Stromversorgung 3.3V)
- Übersteigt der Verbrauch 1mA, wird der Schlafmodus verlassen
Eine Abstimmung der Leistungsklasse kann entfallen, wenn diese vorab bekannt ist. Diese Option wird als Schnellstartmodus bezeichnet. Es wird zum Beispiel in Autos verwendet, weil Es besteht keine Notwendigkeit, die Konfiguration der angeschlossenen Geräte zu ändern.
Sowohl die PSE als auch die PD können einen Schlafübergang einleiten.
Kommen wir nun zur Beschreibung der Datenübertragung. Auch dort ist es interessant: Die Norm definiert zwei Betriebsarten – Langstrecken- und Kurzstreckenbetrieb.
10BASE-T1L
Dies ist eine Option mit großer Reichweite. Die Hauptmerkmale sind wie folgt:
- Reichweite - bis zu 1 km
- Leiter 18AWG (0.8mm2)
- bis zu 10 Zwischenstecker (und zwei Endstecker)
- Punkt-zu-Punkt-Betriebsmodus
- Vollduplex
- Symbolrate 7.5 MBaud
- PAM-3-Modulation, 4B3T-Kodierung
- Signal mit Amplitude 1V (1Vpp) oder 2.4V
- Unterstützung für energieeffizientes Ethernet („Quiet/Refresh“ EEE).
Offensichtlich ist diese Option für industrielle Anwendungen, Zugangskontrollsysteme, Gebäudeautomation und Aufzüge gedacht. Zur Steuerung von Dachkühlern, Klimaanlagen und Ventilatoren. Oder Heizkessel und Pumpen in Technikräumen. Das heißt, es gibt viele Anwendungen aller Art außerhalb der Industrie. Ganz zu schweigen vom Internet der Dinge (IoT).
Es ist erwähnenswert, dass 10BASE-T1 nur einer der Single Pair Ethernet (SPE)-Standards ist. Es gibt auch 100BASE-T1 (802.3bw) und 1000BASE-T1 (802.3bp). Sie wurden zwar für Automobilanwendungen entwickelt, daher beträgt die Reichweite nur 15 (UTP) bzw. 40 Meter (STP). Langstrecken-100BASE-T1L ist jedoch bereits in Planung. Daher werden sie in Zukunft eine automatische Geschwindigkeitsaushandlung hinzufügen.
In der Zwischenzeit kommt keine Koordination zum Einsatz – es wird ein „Schnellstart“ der Schnittstelle deklariert: weniger als 100 ms vom Einschalten bis zum Beginn des Datenaustauschs.
Eine weitere Option (optional) besteht darin, die Übertragungsamplitude von 1 auf 2.4 V zu erhöhen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, die Fehleranzahl zu reduzieren und industriellen Störungen entgegenzuwirken.
Und natürlich EEE. Dies ist eine Möglichkeit, Strom zu sparen, indem der Sender ausgeschaltet wird, wenn gerade keine Daten zu übertragen sind. Das Diagramm zeigt, wie es aussieht:
Keine Daten – senden Sie die Nachricht „Ich bin schlafen gegangen“ und trennen Sie die Verbindung. Gelegentlich wachen wir auf und senden die Nachricht „Ich bin immer noch hier“. Wenn Daten vorliegen, erhält die Gegenseite eine Warnung „Ich wache auf“ und die Übertragung beginnt. Das heißt, nur Empfänger arbeiten ständig.
Sehen wir uns nun an, was sie sich bei der zweiten Version des Standards ausgedacht haben.
10BASE-T1S
Bereits aus dem letzten Brief wird deutlich, dass es sich um ein Protokoll für kurze Distanzen (Short Reach) handelt. Aber warum wird es benötigt, wenn T1L auch auf kurzen Distanzen funktioniert? Lesen Sie die Spezifikationen:
- Reichweite bis zu 15 m im Punkt-zu-Punkt-Modus
- Duplex oder Halbduplex
- проводники 24-26AWG (0.2-0.13мм2)
- Symbolrate 12.5 MBaud
- DME, Kodierung 4B5B
- Signal mit Amplitude 1V (1Vpp)
- bis zu 4 Zwischenstecker (und zwei Endstecker)
- Keine EEE-Unterstützung
Es scheint nichts Besonderes zu sein. Wofür ist es also? Aber dazu:
- Reichweite bis zu 25 m im Multipoint-Modus (bis zu 8 Knoten)
Und das:
- PLCA RS-Betriebsmodus (PHY-Level Collision Vermeidung Reconciliation Sublayer).
Und das ist viel interessanter, nicht wahr? Weil trägt dazu bei, die Anzahl der Kabel in Schaltschränken, Werkzeugmaschinen, Robotern und Autos erheblich zu reduzieren. Und es gibt bereits Vorschläge, es als Ersatz für I2C in Servern, Switches und anderer Elektronik zu verwenden.
Der Multipoint-Modus hat jedoch Nachteile. Das wichtigste davon ist ein gemeinsam genutztes Datenübertragungsmedium. Selbstverständlich werden Kollisionen mit CSMA/CD gelöst. Es ist jedoch nicht bekannt, wie hoch die Verzögerung in diesem Fall sein wird. Und für einige Anwendungen ist dies von entscheidender Bedeutung. Daher wurde Multipoint im neuen Standard um einen speziellen PLCA RS-Modus ergänzt (siehe nächster Abschnitt).
Der zweite Nachteil besteht darin, dass PoDL nicht im Multipoint-Modus funktioniert. Das heißt, der Strom muss über ein separates Kabel zugeführt oder irgendwo vor Ort abgenommen werden.
Im Punkt-zu-Punkt-Modus funktioniert PoDL jedoch auch auf T1S.
PLCA RS
Dieser Modus funktioniert wie folgt:
- Knoten verteilen Identifikatoren untereinander, der Knoten mit der ID=0 wird zum Koordinator
- Der Koordinator sendet ein BEACON-Signal an das Netzwerk, das den Beginn eines neuen Übertragungszyklus anzeigt, und überträgt sein Datenpaket
- Nach der Übertragung des Datenpakets geht die Warteschlange für die Übertragung an den nächsten Knoten weiter
- Wenn der Knoten nicht innerhalb der für die Übertragung von 20 Bits erforderlichen Zeit mit der Übertragung begonnen hat, bewegt sich die Warteschlange zum nächsten Knoten
- Wenn alle Knoten Daten übertragen haben (oder ihren Zug verpasst haben), beginnt der Koordinator einen neuen Zyklus
Im Allgemeinen ähnelt es TDMA. Allerdings mit der Besonderheit, dass der Knoten seinen Zeitrahmen nicht nutzt, wenn er nichts zu übertragen hat. Und die Rahmengröße ist nicht fest codiert, weil hängt von der Größe des vom Knoten übertragenen Datenpakets ab. Und das alles funktioniert auf Basis standardmäßiger 802.3-Ethernet-Frames (PLCA RS ist optional und sollte daher kompatibel sein).
Das Ergebnis der Verwendung von PLCA befindet sich unten in den Diagrammen. Das erste ist die Verzögerung in Abhängigkeit von der Auslastung, das zweite ist der Durchsatz in Abhängigkeit von der Anzahl der sendenden Knoten. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Verzögerung deutlich vorhersehbarer geworden ist. Und im schlimmsten Fall ist es 2 Größenordnungen kleiner als im schlimmsten Fall von CSMA/CD:
Und die Kanalkapazität im Fall von PLCA ist höher, weil nicht für die Lösung von Kollisionen aufgewendet:
Anschlüsse
Zunächst wählten sie aus sechs Anschlussoptionen verschiedener Unternehmen. Aus diesem Grund haben wir uns für diese beiden Optionen entschieden:
Für den normalen Gebrauch wurde der IEC 63171-1 LC-Stecker von CommScope ausgewählt.
Für raue Umgebungen bietet sich die Steckverbinderfamilie IEC 63171-6 (ehemals 61076-3-125) von HARTING an. Diese Steckverbinder sind für Schutzarten von IP20 bis IP67 ausgelegt.
Natürlich können Anschlüsse und Kabel entweder UTP oder STP sein.
andere
Sie können ein normales vierpaariges Ethernet-Kabel verwenden und jedes Paar für eine separate SPE-Verbindung verwenden. Um nicht vier separate Kabel weit weg zu ziehen. Oder verwenden Sie ein einpaariges Kabel und platzieren Sie am anderen Ende einen einpaarigen Ethernet-Switch.
Und Sie können diesen Switch direkt an das lokale Netzwerk des Unternehmens anschließen, wenn das Netzwerk bereits über Glasfaser über große Entfernungen erweitert wurde. Stecken Sie dort Sensoren hinein und sehen Sie sich hier die Messwerte an. Direkt über das Internet. Ohne Schnittstellenwandler und Gateways.
Und es müssen keine Sensoren sein. Es kann Videokameras, Gegensprechanlagen oder „intelligente“ Glühbirnen geben. Stellantriebe einiger Ventile oder Drehkreuze an Kontrollpunkten.
Die Aussichten sind also interessant. Es ist natürlich unwahrscheinlich, dass SPE alle Feldbusse ersetzen wird. Aber er wird eine ganze Menge davon abbeißen. Auf jeden Fall in Autos.
PS: Ich habe den Text des Standards nicht im öffentlichen Bereich gefunden. Die oben genannten Informationen wurden nach und nach aus verschiedenen im Internet verfügbaren Präsentationen und Materialien zusammengestellt. Daher kann es zu Ungenauigkeiten kommen.
Source: habr.com