10BASE-T1L: новые возможности для подключения устройств промышленной автоматизации
Трендом последних нескольких лет в промышленной автоматизации несомненно стала Индустрия 4.0. Одной из интересных задач, встретившихся инженерам при реализации широкого спектра устройств, является удалённое управление тысячами датчиков и исполнительных механизмов, призванных сократить те или иные расходные статьи заводов и фабрик. Большинство задач, связанных с управлением или сбором данных с датчиков, могут быть решены в настоящее время при использовании проверенных сетей 4−20 мА, Ethernet и других. Цифровые сети на базе CAN/RS-485 позволяют создавать сложные архитектуры сетей, при этом обеспечивая требуемые заказчиками скорости обмена данных и дальность работы.
Мы живём в эпоху постановки новых вызовов, направленных на создание устройств Индустрии 4.0. Зачастую стоят вызовы связанные с экономической целесообразностью проведения модернизации имеющегося производства. Большую популярность имеют не один десяток примеров, когда после проведённой оптимизации на фабрике или производстве затраты на модернизацию превышали теоретическую выгоду от её проведения. При детальном изучении причин неудач в проведении модернизации на отечественных производствах можно подметить, ряд интересных моментов:
RS-485 — Самый доступный интерфейс. Подключение 256 устройств на удалении до 1000 метров и доступность улучшения выделенных параметров при использовании нестандартных решений делают интерфейс крайне привлекательным и в наше время. При этом скорость шины составляет 10кбит/с — 10 Мбит/с. При подключении присутствуют идентичные трудности, что и с CAN шиной (при некорректном подключении устройство не работает и требуется пере подключение). Наличие серийных устройств, подключаемых к этой сети и выполняющих фиксированные функции — достоинство устоявшегося интерфейса. Но тут есть один тонкий момент — помимо фиксированного физического интерфейса программный уровень представляет менее стандартизированную часть работы. Из популярных протоколов Modbus или других, даже с небольшими отклонениями в протоколе у некоторых исполнительных устройств, порой невозможно построить сети из устройств разных производителей или даже разных серий. Это породило существование переходников, согласующих физически идентичными, но отличающимися протоколами интерфейсы. И это, не считая хабов и терминалов.
Ethernet+ PoE (Power over Ethernet) — Самый привлекательный интерфейс. Наличие стандартной сетевой инфраструктуры сокращает время работы, специализируя разработчиков на исполнительном устройстве. При этом достижимые скорости 10/100/1000 Мбит/с в большинстве задач избыточные (например, для управления задвижками в вентиляционной системе протягивать гигабитный интернет), а прокладка F/UTP кабеля до каждого устройства между коммутаторами соизмерима со стоимостью самого исполнительного устройства. К дополнительным плюсам относится гальваническая изоляция между двумя устройствами, предписанная интерфейсом и реализованная в большинстве решений. Выйти за предписанные стандартом параметры можно, например, при использовании толстой витой пары и подготовленного к этому блоку питания можно увеличить передаваемую мощностей через PoE и обеспечить электропитанием даже устройства мощностью 1000 Вт, но в этом случае потребуется собственный коммутатор и время для проработки устройства, так как стандарт подразумевает ограничение мощности 25Вт.
Токовая петля 4−20mA — самый массовый интерфейс в подключении устройств. Интерфейс подходит для работы датчиков, так как среднее питание датчиков температуры, давления или уровня жидкости менее 20 мВт. Чтобы покрутить моторчиком и открыть задвижку потребуется не менее 100мВт. При этом токовая петля 4−20мА работает без сбоев на удалении до 200 метров. Малую мощностью для устройств увеличивают схемотехническими решениями. По большей части это или увеличение напряжения источника напряжения (до 125V постоянного тока) питающего шину или смещением диапазона токов до 24−40мА (или аналогичных). В этих случаях токовая петля теряет универсальность подключения, но допускает управление приводом и датчиком температуры в одном изделии. При случайном КЗ на линию промышленного питания устройство могло временно перестать функционировать, и при устранении замыкания самостоятельно вернуться к работе. При этом требуется прокладка 2 проводной линии обеспечивает подключение. При ошибке подключения ряд устройств этого не заметит, так как встроенный диодный мост делает подключение безразличным. Последняя функция позволяет этому интерфейсу так широко применяться — дешёвые не маркированные подключения работниками часто подкупают заказчиков оборудования. Во многом это и привело к тому хаосу, творящемся в совместимости устройств различных брендов.
Из этого можно сделать вывод, что в такие варианты применения идеально подошла бы связь, обладающая следующими характеристиками:
В качестве микросхем, реализующих на физическом уровне этот интерфейс следует отметить ADIN1100 от Analog Devices. При собственном потреблении в 75мВт и промышленном температурном диапазоне (-40. + 105°С) она реализует физический уровень, легко выстраиваясь на место доступных Ethernet PHY микросхем, при поддержке в ПО. Встроенного MAC нет, но с высокой долей вероятности он появиться в ближайшее время.
В то, что это работает уже сейчас, можно убедиться при помощи отладочного набора EVAL-ADIN1100FMCZ, чем было и решено заняться. Набор состоит из трансивера с необходимой для работы обвязки, схемой питания и мост на USB. В процессе тестирования, в силу непреодолимых условий, мост использовался собственный, с возможностью доработки программного обеспечения.
Мы живём в эпоху постановки новых вызовов, направленных на создание устройств Индустрии 4.0. Зачастую стоят вызовы связанные с экономической целесообразностью проведения модернизации имеющегося производства. Большую популярность имеют не один десяток примеров, когда после проведённой оптимизации на фабрике или производстве затраты на модернизацию превышали теоретическую выгоду от её проведения. При детальном изучении причин неудач в проведении модернизации на отечественных производствах можно подметить, ряд интересных моментов:
- Всегда требовалось развернуть или дополнить имеющуюся сеть из датчиков и исполнительных устройств для уточнения условий работы и повышение гибкости настроек работы систем.
- Руководители проектов, связанные с развёртыванием сетей датчиков, всегда стоят перед дилеммой на что потрать больше ресурсов: на разработку или закупку сложных устройств, позволяющих работниками с широкой специализацией за минимальную стоимость развернуть подключение сети устройств к корпоративной сети, или работа с доступными устройствами, но требующих высокоспециализированных работников для работы с ним.
- Обеспечение электропитанием устройств. Подключение датчика или исполнительного устройства это всегда подключение аналогового или цифрового канала передачи данных и обеспечение устройства электропитанием постоянного или переменного тока. В этом пункте выгодно выступают устройства подключением 4−20мА и им подобных, так как у них одновременно обеспечивается передача данных и обеспечение устройства питанием.
- Борьба за электромагнитную совместимость. Это проявляется в помехах на канал передачи данных, которые приводят инженеров обслуживающих оборудование к высоким затратам на поиск неисправностей, проявляющихся в отдельных случаях работы. От того, насколько разработчиком верно подобран интерфейс зависит успех разработки и внедрения нового устройства. На выбор доступно более 20 стандартных интерфейсов, покрывающих спектр задач инженера с перекрытиями между собой. Они различаются по скорости обмена данными, дальности работы и удобству подключения.
RS-485 — Самый доступный интерфейс. Подключение 256 устройств на удалении до 1000 метров и доступность улучшения выделенных параметров при использовании нестандартных решений делают интерфейс крайне привлекательным и в наше время. При этом скорость шины составляет 10кбит/с — 10 Мбит/с. При подключении присутствуют идентичные трудности, что и с CAN шиной (при некорректном подключении устройство не работает и требуется пере подключение). Наличие серийных устройств, подключаемых к этой сети и выполняющих фиксированные функции — достоинство устоявшегося интерфейса. Но тут есть один тонкий момент — помимо фиксированного физического интерфейса программный уровень представляет менее стандартизированную часть работы. Из популярных протоколов Modbus или других, даже с небольшими отклонениями в протоколе у некоторых исполнительных устройств, порой невозможно построить сети из устройств разных производителей или даже разных серий. Это породило существование переходников, согласующих физически идентичными, но отличающимися протоколами интерфейсы. И это, не считая хабов и терминалов.
Ethernet+ PoE (Power over Ethernet) — Самый привлекательный интерфейс. Наличие стандартной сетевой инфраструктуры сокращает время работы, специализируя разработчиков на исполнительном устройстве. При этом достижимые скорости 10/100/1000 Мбит/с в большинстве задач избыточные (например, для управления задвижками в вентиляционной системе протягивать гигабитный интернет), а прокладка F/UTP кабеля до каждого устройства между коммутаторами соизмерима со стоимостью самого исполнительного устройства. К дополнительным плюсам относится гальваническая изоляция между двумя устройствами, предписанная интерфейсом и реализованная в большинстве решений. Выйти за предписанные стандартом параметры можно, например, при использовании толстой витой пары и подготовленного к этому блоку питания можно увеличить передаваемую мощностей через PoE и обеспечить электропитанием даже устройства мощностью 1000 Вт, но в этом случае потребуется собственный коммутатор и время для проработки устройства, так как стандарт подразумевает ограничение мощности 25Вт.
Токовая петля 4−20mA — самый массовый интерфейс в подключении устройств. Интерфейс подходит для работы датчиков, так как среднее питание датчиков температуры, давления или уровня жидкости менее 20 мВт. Чтобы покрутить моторчиком и открыть задвижку потребуется не менее 100мВт. При этом токовая петля 4−20мА работает без сбоев на удалении до 200 метров. Малую мощностью для устройств увеличивают схемотехническими решениями. По большей части это или увеличение напряжения источника напряжения (до 125V постоянного тока) питающего шину или смещением диапазона токов до 24−40мА (или аналогичных). В этих случаях токовая петля теряет универсальность подключения, но допускает управление приводом и датчиком температуры в одном изделии. При случайном КЗ на линию промышленного питания устройство могло временно перестать функционировать, и при устранении замыкания самостоятельно вернуться к работе. При этом требуется прокладка 2 проводной линии обеспечивает подключение. При ошибке подключения ряд устройств этого не заметит, так как встроенный диодный мост делает подключение безразличным. Последняя функция позволяет этому интерфейсу так широко применяться — дешёвые не маркированные подключения работниками часто подкупают заказчиков оборудования. Во многом это и привело к тому хаосу, творящемся в совместимости устройств различных брендов.
Из этого можно сделать вывод, что в такие варианты применения идеально подошла бы связь, обладающая следующими характеристиками:
- Потребляемая мощность устройства 100мВт — 50 Вт;
- Дальность работы до 1 км;
- Скорость передачи в 1 Мбит/с;
- Доступная периферия и устройства коммутации
- Скорость передачи 10Мбит/с;
- Потребляемая мощность устройства 500 мВт — 60Вт;
- Дальность работы до 1,1 км ;
- 2 линии подключения (одновременная передача питания и сигнала)
В качестве микросхем, реализующих на физическом уровне этот интерфейс следует отметить ADIN1100 от Analog Devices. При собственном потреблении в 75мВт и промышленном температурном диапазоне (-40. + 105°С) она реализует физический уровень, легко выстраиваясь на место доступных Ethernet PHY микросхем, при поддержке в ПО. Встроенного MAC нет, но с высокой долей вероятности он появиться в ближайшее время.
В то, что это работает уже сейчас, можно убедиться при помощи отладочного набора EVAL-ADIN1100FMCZ, чем было и решено заняться. Набор состоит из трансивера с необходимой для работы обвязки, схемой питания и мост на USB. В процессе тестирования, в силу непреодолимых условий, мост использовался собственный, с возможностью доработки программного обеспечения.
Рисунок 1. Демонстрационная плата EVAL ADIN1100FMCZ для оценки возможностей 10BASE-T1L
Технически можно заострить внимание на множестве тонких технических моментов, привести бессмысленные данные о потерянных пакетах в длинной линии передачи данных в рамках системы освещения склада, но ваш случай применения будет отличаться, а сравнивать мягкое и красное — яркая причина допустить ошибку на этапе выбора технологии в проекте. Заострим внимание на особенностях, оказывающих влияние на выбор этой технологии.
1. ADIN1100 — не единственное решение, реализующее физический уровень 10BASE-T1L. От производителя к производителю этот параметр может отличаться, если поверхностно изучить техническое описание. При углублении в этот вопрос выясняется, что это не столько заслуга производителя чипов, сколько команды, ставившей измерения и маркетинга. В силу значительного интереса к экономически эффективной концепции устройств, тесты проводились на не экранированной витой паре, с шагом намотки в 2 см (см фото ниже), подключенной через винтовые клеммы. В относительно чистых лабораторных условиях при сворачивании 500 метровой катушки в бухту диаметром 200 мм, начались проблемы у большинства трансиверов, предоставляющих 10BASE-T1L. Есть мнение, что в этом случае параметры LC цепи сложились не лучшим образом.
1. ADIN1100 — не единственное решение, реализующее физический уровень 10BASE-T1L. От производителя к производителю этот параметр может отличаться, если поверхностно изучить техническое описание. При углублении в этот вопрос выясняется, что это не столько заслуга производителя чипов, сколько команды, ставившей измерения и маркетинга. В силу значительного интереса к экономически эффективной концепции устройств, тесты проводились на не экранированной витой паре, с шагом намотки в 2 см (см фото ниже), подключенной через винтовые клеммы. В относительно чистых лабораторных условиях при сворачивании 500 метровой катушки в бухту диаметром 200 мм, начались проблемы у большинства трансиверов, предоставляющих 10BASE-T1L. Есть мнение, что в этом случае параметры LC цепи сложились не лучшим образом.
Рисунок 2. Использованная в тестах витая пара с центральным узлом контроля шины.
2. Идентичная ситуация проявляясь при работе на корпусе 30 кВт синхронного электродвигателя. Но, если серьёзно подойти к делу, перевести всё подключение на экранированную витую пару (достаточно 10 метров от источника помехи), то связь «магическим образом» восстанавливалась. Разумеется, при корректном подключении экрана.
3. В плане настроек ADIN1100 оказался самым не прихотливым. Как позднее оказалось, даже если не корректно инициализировать работу микросхемы (издержки раннего доступа), то микросхема не блокирует работу, ожидая введения данных в не регламентированные регистры, что не скажешь об остальных микросхемах исследуемого физического уровня. Я крайне надеюсь, что ситуация с этим исправится в ближайшее время, и на рынке будет доступно несколько разных производителей с этой интересной технологией.
4. Преобразователь питания в данном случае должен быть предназначен на работу с высоким входным напряжением, и относительно небольшим током (60 В 1А). С учётом того, что стандартные потребители имеют 12 или 5 В питание, у понижающего DC-DC преобразователя растёт коэффициент трансформации и как следствие растёт уровень помех, создаваемых по входу. Для того, чтобы преобразователь не оказывал влияние на цифровую линию необходимо применять дополнительные фильтры, особенно если работа осуществляется при значимой индуктивности питающей линии.
5. Не пренебрегайте стандартизированными разъёмами для подключения 10BASE-T1L, например, IEC 63 171−6 от компании Amphenol (MSPE-P2L0 серия). Экономический расчёт противостояния автоматической борьбы с не корректным подключением и одинаковым для номенклатуры устройств серией разъёмов приводит к победе последний вариант. Тем не менее диодный мост и варистор по питанию крайне рекомендованы для не лабораторного применения. Примерами таких компонентов могут являться KMB215STR и V85MLA1210NH.
Стандарт 10BASE-T1L не соединит разрозненный рынок стандартов цифровых линий проводной связи, но создаст новые ниши на рынке промышленных устройств.
По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте analog@eltech.spb.ru.
3. В плане настроек ADIN1100 оказался самым не прихотливым. Как позднее оказалось, даже если не корректно инициализировать работу микросхемы (издержки раннего доступа), то микросхема не блокирует работу, ожидая введения данных в не регламентированные регистры, что не скажешь об остальных микросхемах исследуемого физического уровня. Я крайне надеюсь, что ситуация с этим исправится в ближайшее время, и на рынке будет доступно несколько разных производителей с этой интересной технологией.
4. Преобразователь питания в данном случае должен быть предназначен на работу с высоким входным напряжением, и относительно небольшим током (60 В 1А). С учётом того, что стандартные потребители имеют 12 или 5 В питание, у понижающего DC-DC преобразователя растёт коэффициент трансформации и как следствие растёт уровень помех, создаваемых по входу. Для того, чтобы преобразователь не оказывал влияние на цифровую линию необходимо применять дополнительные фильтры, особенно если работа осуществляется при значимой индуктивности питающей линии.
5. Не пренебрегайте стандартизированными разъёмами для подключения 10BASE-T1L, например, IEC 63 171−6 от компании Amphenol (MSPE-P2L0 серия). Экономический расчёт противостояния автоматической борьбы с не корректным подключением и одинаковым для номенклатуры устройств серией разъёмов приводит к победе последний вариант. Тем не менее диодный мост и варистор по питанию крайне рекомендованы для не лабораторного применения. Примерами таких компонентов могут являться KMB215STR и V85MLA1210NH.
Стандарт 10BASE-T1L не соединит разрозненный рынок стандартов цифровых линий проводной связи, но создаст новые ниши на рынке промышленных устройств.
По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте analog@eltech.spb.ru.