Ethernet erobert den Industriebereich

Die zunehmende Akzeptanz von Ethernet als industrielles Kommunikationsprotokoll spielte bei dieser Entwicklung der Smart Factory eine Schlüsselrolle. Anfänglich auf die Steuerungs- und Informationsebene der Fabrik beschränkt, wurde eine Reihe von Erweiterungen des ursprünglichen IEEE 802.3-Protokolls von der IEEE ratifiziert, wodurch Ethernet deterministische Anforderungen industrieller Prozesse unterstützen kann. Diese Erweiterungen sind seitdem zu offenen Normen geworden, die in der Industrie weit verbreitet sind und ein exponentielles Wachstum bei der Ethernet-Bereitstellung in industriellen Umgebungen ermöglichen.

Design Considerations for Industrial Ethernet

Ethernet entwickelt sich schnell zur vorherrschenden Netzwerktechnologie in der industriellen Umgebung, wobei eine Reihe neuerer IEEE 802-Ethernet-Unternormen die Mechanismen abdeckt, die zur Unterstützung der Echtzeitkommunikation erforderlich sind. Angesichts der wachsenden Zahl von Fabriksystemen, die Ethernet-Geräte verwenden, müssen Entwickler sicherstellen, dass Netzwerkmodule den rauen Bedingungen in der Fabrikumgebung standhalten. Faktoren wie Robustheit, Betriebstemperaturbereich, Staub, elektrische Störungen und Vibrationen müssen bei der Auswahl der Komponenten berücksichtigt werden. Der allgegenwärtige RJ45-Stecker, viele Jahre lang die Hauptstütze der Netzwerkverkabelung, ist immer noch die Steckverbinderlösung der Wahl in der Fabrikumgebung, und dieser Artikel befasst sich mit einigen der Faktoren, die bei der Integration dieser Steckverbinder in Fabriksysteme berücksichtigt werden müssen.

Ethernet-Änderungen in industriellen Umgebungen

Das anhaltende Streben nach Verbesserung der Produktivität und Kapitalrendite hat Jahr für Jahr zu einem Wachstum der Fabrikautomatisierung und zu einer Verbreitung vernetzter Geräte geführt. Der Einsatz von Robotersystemen nimmt schnell zu, da deren Einsatz von der traditionellen Fließbandfertigung zu kleineren, flexibleren Anwendungen übergeht, einschließlich kollaborativer Arbeitsbereiche, in denen Mensch und Roboter zusammenarbeiten. Dieser Anstieg des Automatisierungsgrades wurde durch die Entwicklung einer Reihe gemeinsamer Normen erleichtert, die die Entwicklung offener Systeme fördern und die Interoperabilität einer größeren Auswahl an Geräten verschiedener Hersteller gewährleisten.

Die zunehmende Akzeptanz von Ethernet als industrielles Kommunikationsprotokoll spielte bei dieser Entwicklung der Smart Factory eine Schlüsselrolle. Anfänglich auf die Steuerungs- und Informationsebene der Fabrik beschränkt, wurde eine Reihe von Erweiterungen des ursprünglichen IEEE 802.3-Protokolls von der IEEE ratifiziert, wodurch Ethernet deterministische Anforderungen industrieller Prozesse unterstützen kann. Diese Erweiterungen sind seitdem zu offenen Normen geworden, die in der Industrie weit verbreitet sind und ein exponentielles Wachstum bei der Ethernet-Bereitstellung in industriellen Umgebungen ermöglichen.

Fortlaufende Entwicklung des Ethernets

Das Ethernet-Protokoll erstreckt sich über die Schichten 1 (physikalisch) und 2 (Datenverbindung) des OSI-Schichtenmodells und beschreibt, wie vernetzte Geräte Daten für die Übertragung an andere Netzwerkgeräte im selben Netzwerksegment formatieren können und wie diese Daten über die Netzwerkverbindung ausgegeben werden. Ursprünglich für den Betrieb über Koaxialkabel konzipiert, verwendet ein typisches Ethernet-LAN heute spezielle Twisted-Pair-Kabel oder Glasfaserkabel. Ethernet-Normen werden ständig weiterentwickelt, um neue Medien, höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und Änderungen des Rahmeninhalts und der funktionalen Anforderungen wie 802.3af, das Power Over Ethernet [PoE] definiert, zu berücksichtigen.

Das am häufigsten installierte Ethernet-System im industriellen Umfeld ist 100 BASE-T („BASE-T“ steht für die Verwendung einer Twisted-Pair-Verkabelung), wobei Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 Megabit pro Sekunde (MBit/s) bereitgestellt werden. Gigabit-Ethernet bietet Geschwindigkeiten von 1000 MBit/s (1 Gigabit oder 1 Milliarde Bit pro Sekunde) und 10 GbE oder 10-Gigabit-Ethernet bietet bis zu 10 GBit/s. Höhere Geschwindigkeiten befinden sich ständig in Entwicklung für die Standardisierung.

PHY ist eine Abkürzung für die physikalische Schicht des OSI-Modells und bezieht sich auf die Schaltung, die zum Implementieren von Funktionen der physikalischen Schicht erforderlich ist. Der Ethernet-PHY ist eine Komponente, die den Ethernet-Physical-Layer-Teil der 1000BASE-T, 100BASE-TX, und 10BASE-T-Normen implementiert. Die PHY-Funktionalität ist in der Regel in einem Chip implementiert, der die Schnittstelle zwischen dem analogen Bereich der Ethernet-Leitungsmodulation und dem digitalen Bereich der Link-Layer-Paketsignalisierung bildet. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die von einer PHY-Komponente implementierte Funktionalität.

In Abbildung 1 ist ersichtlich, dass zwei weitere wichtige Komponenten vorhanden sind, die die Ethernet-PHY-Funktionalität gewährleisten. „Magnetik“ ist eine analoge Schaltung, die entwickelt wurde, um die elektrischen Schnittstellenanforderungen der IEEE 802.3 10/100/1000BASE-T-Spezifikationen zu erfüllen und es verschiedenen Knoten im Ethernet-Netzwerk zu ermöglichen, sich über große Entfernungen zu verbinden. „Magnetik“ adressiert die wichtigsten Anforderungen an elektrische Schnittstellen, einschließlich elektrischer Isolierung, Signalausgleich, Gleichtaktunterdrückung, Impedanzanpassung und EMV-Verbesserung. Der RJ45-Stecker, ein kostengünstiger 8P8C mit acht Positionen, ist seit langem die Hauptstütze der Ethernet-Konnektivität und befindet sich an allen derzeit verwendeten Ethernet-Kabeln. Jede PHY-Platine muss daher einen geeigneten RJ45-Anschluss besitzen.

Unterstützung der Nachfrage nach ICMs auf dem industriellen Ethernet-Markt

Heutzutage liefern viele Hersteller von Steckverbindern integrierte Steckverbindermodule (ICMs), in denen die magnetische Schaltung in den RJ45-Typ-Anschlussblock eingebaut ist. Die Verwendung von ICMs beim Entwurf einer PHY-Platine bietet eine Reihe von Vorteilen, darunter eine geringere Anzahl von Komponenten – was wiederum zu niedrigeren Produktions-/Montagekosten, einer potenziell besseren EMV-Abschirmung der empfindlichen kabelseitigen Signale durch die Metallabschirmung und einer kleineren Platinenfläche führt. ICMs ermöglichen es auch, das PHY-Modul vollständig in der digitalen Domäne zu entwerfen, wobei die analoge Schaltung im Steckverbinder untergebracht ist.

Als Erfinder und größter Anbieter integrierter Anschlussmodule (ICM), bietet Bel Magnetic Solutions, ein Unternehmen der Bel Geschäftsbereiche, eine breite Magnetik-Palette für Kommunikations-, Industrie- und kommerzielle Anwendungen. Das umfangreiche Portfolio von Bel umfasst 3 ICM-Produkte, die speziell auf den industriellen Ethernet-Markt ausgerichtet sind, für den zuverlässige, kostengünstige Verbindungen in rauen Umgebungen mit Betriebstemperaturen zwischen -40 °C und +85 °C erforderlich sind. Die ICMs sind für eine Reihe von Anwendungen geeignet, darunter industrielle Ethernet-Controller, Maschinensteuerplatinen, Ethernet-Beleuchtungssteuerungen, industrielle drahtlose Zugangspunkte und industrielle Videoanzeigegeräte. Die ICMs sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst.

Diese ICMs sind mit allen wichtigen 10/100Base-T- und 1GBase-T-PHYs kompatibel, klein, einfach anzuwenden und für den Stress und die Belastung des Fabriklebens ausgelegt. Die Steckverbinder sind langlebig und verfügen über eine lange Lebensdauer, die extrem niedrige Ausfallraten gewährleistet und die zwischen -40 °C und 85 °C betrieben werden können. Optionen für IR-Reflow-Kompatibilität und Tape-and-Reel-Verpackung unterstützen das automatische Einsetzen auf Leiterplatten, wodurch die Modulproduktionskosten weiter gesenkt werden.

Führend bei ICM-Lösungen

Da Ethernet zum vorherrschenden Kommunikationsprotokoll in der Fabrik wird, müssen immer mehr Industriemaschinen, einschließlich einer breiten Palette von Robotersystemen, an Ethernet-Netzwerke angeschlossen werden. Designer von Netzwerkgeräten nach Industriespezifikation, wie z. B. industrielle Ethernet-Controller und Maschinensteuerkarten, müssen die Komponenten sorgfältig auswählen, wobei Robustheit, Lebensdauer und Kosten im Vordergrund stehen. ICM-Module spielen eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung einer dauerhaften und zuverlässigen Konnektivität in einer feindlichen Umgebung; Diese Steckverbinder müssen nicht nur die erforderliche mechanische Haltbarkeit bieten, sondern ihre elektrische Leistung ist auch in der rauen und lauten Fabrikumgebung von entscheidender Bedeutung.