シングルペアイーサネットによる産業用接続

無線通信への依存度が高まっている世界では、有線の世界はかなり通用しているように見えます。ただし、産業用IoT（IIoT）では、ワイヤーが依然として標準です。 RF干渉、混雑した無線帯域、ライセンス要件、単純な応答性など、産業環境で有線接続を維持する理由はいくつかあります。

従来、産業用アプリケーションは、Profibus、Modbus、CANなどの古いフィールドバステクノロジーのターゲットでした。これらのテクノロジーは通常、ツイストペア配線に基づいており、通常は1Mbps以下のパフォーマンスレベルです。産業界では、コストがすべてです。そのため、センサーやアクチュエーターへの配線は安価で長寿命である必要があります。したがって、シングルツイストペア配線が標準です。

それにもかかわらず、インダストリー4.0（I4）としても知られる第4次産業革命の拡大が見られます。 I4は、大規模なマシンツーマシン（M2M）通信の使用と、自動化を強化するためのモノのインターネット（IoT）の展開を特徴としています。このトレンドの目標は、人間の介入なしに操作、データの分析、およびアクションを実行できるスマートデバイスの展開です。 I4の成功の鍵は、遅延を引き起こす可能性のある信号の中間変換を最小限に抑えた接続性とパフォーマンスに基づいています。さらに、IoT要素は、多くの場合、センサーからクラウドに至るまでデータをシームレスに通信できることに重点を置いています。現在の世界では、これはIPプロトコルスタックの使用を意味します。

残念ながら、従来のフィールドバス技術は通常、IPフレームを通過させません。これは、ProfibusまたはCANフレームからIPに、またはその逆に変換するトランスレータボックスが必要であることを意味します。これにより、遅延が発生し、コストが増加します。また、これらのフィールドバステクノロジーのほとんどは、Wi-Fiや5G Cellularなどの最新の通信に比べて比較的低速であるため、I4の増大する通信要件をサポートするには新しいアプローチが必要です。

自動車の進歩を活用する

自動車の世界では、先進運転支援システム（ADAS）に搭載されているセンサーに必要なデータ量が急増しています。従来の産業用アプリケーションと同様に、自動車用アプリケーションは、電子制御ユニット（ECU）とアンチロックブレーキ、エミッション制御などのセンサー/アクチュエーターとの間の通信にCANなどのフィールドバス技術に依存してきました。ただし、CANの1 Mbpsのレート制限、またはCAN-FDの拡張データレート（最大5 Mbps）でさえ、最新のADAS搭載車両の複数のカメラフィード、レーダー、およびLIDARには十分ではありません。自動車アプリケーションに必要なのは、重量を減らしながら新機能の市場投入までの時間を短縮する、信頼性の高い高速ネットワーク機能です。さらに、車両内でIPをサポートする機能により、ソフトウェア開発が容易になり、プロトコルコンバーターの必要性が最小限に抑えられます。

情報技術の世界からページを見ると、ワイヤレスプロトコルの観点からも、イーサネットが非常に支配的な技術であることがわかります。イーサネットは、クラウドインフラストラクチャ内で最大400Gbpsのデータレートで保証されたパフォーマンスを提供するバックボーンです。ただし、従来のイーサネットは通常、2ペアまたは4ペアの配線または光ファイバーを使用します。シングルペアCANバスと比較すると、従来のイーサネットケーブルはより高価で、重く（2ペアまたは4ペアの配線の場合）、または堅牢性が低くなります（光ファイバーの場合）。したがって、1Gbpsの範囲のデータレートを処理できるシングルペアイーサネットが理想的です。 xBASE-T1シングルペアイーサネット（SPE）と入力します。

SPEの標準化

IEEE 802.3ワーキンググループは、イーサネットに関連する標準を担当しています。もともと1983年に標準化されたイーサネットは、その多くの形式で、ARCNET、FDDI、トークンリングなどの競合するテクノロジを凌駕しています。もともと同軸ケーブルに基づいていたイーサネットは、シールド付きとシールドなしのツイストペアケーブルの両方を使用するように進化し、1990年代初頭までに、ユビキタスなRJ45（8P8C）コネクタがITの多くのコンピューティングデバイスで一般的なフィクスチャになりました。

元の10BASE-Tの実装は、2つのワイヤペアに依存しており、1つの差動ペアが送信に使用され、1つの差動ペアが受信に使用されていました。 10メガビット/秒に制限されたこの標準は、元の同軸ベースのアプローチよりもはるかに高速でしたが、同軸ソリューションのバストポロジではなくスターを使用していました。このスターワイヤードアプローチでは、スイッチのポートに接続されたデバイス間のデータ移動を処理できるイーサネットスイッチと呼ばれる集中型ハブの使用が義務付けられました。この同じ2ペアケーブルソリューションは、最大100メガビット/秒のデータレートをサポートするファストイーサネット（別名100BASET）の導入によって継続されました。ギガビットイーサネット（1000BASE-T）の導入により、ワイヤペアの数は2倍の4になり、データレートは桁違いに増加しました。

データレートの変更に加えて、Power over Ethernet（PoE-IEEE 802.at-2009）として知られる技術は、データと同じイーサネットケーブルで電力を供給するためのいくつかの代替手段を導入しました。 PoEは、48VDCで最大25.5Wの配信をサポートし、監視カメラやワイヤレスアクセスポイントなどのリモートデバイスへの電力供給を可能にしました。それ以降のバージョンは、Power over Data Lines（PoDL – IEEE 802.3bu-2016）と呼ばれ、12、24、または48VDCで最大50Wの電力を供給できます。 PoDLは、xBASE-T1 SPE市場向けに特別に開発されたものであり、データと電力の両方を1本のワイヤーペアで提供できます。

xBASE-T1標準は、さらに10BASE-T1L（IEEE 802.3cg）、100BASE-T1（IEEE 802.3bw）、および1000BASE-T1（IEEE 802.3bp）に分類できます。次の表は、これらのバリアントの主な機能をまとめたものです。

10BASE-T1Lの「L」は、長さが1 Kmであるため、「ロングリーチ」を表します（ケーブルの品質やコネクタの種類によっては、実際には多くの実装が1 Kmを超える場合があります）。 SPE仕様の多くの利点の1つは、既存のシングルツイストペアフィールドバスケーブルを使用できることです。これは、産業用アプリケーションにとって大きな節約になります。また、PoDLを追加することで、リモートデバイスは通信をサポートし、同じケーブルセグメントを介して電力を供給できます。追加の利点として、10 Mbit /秒のデータレートは、置き換えられるフィールドバスの実装よりも大幅に高速です。

T1Lバリアントはポイントツーポイントアプリケーションを対象としていますが、20 mA電流ループやCANなどの一般的なフィールドバスバージョンを置き換えるためにマルチドロップ実装として配線された「ショートリーチ」バリアント（10BASE-T1S）もあります。 。 T1Sフレーバーの到達距離は25mに大幅に短縮されます。ただし、マルチドロップを使用すると、メディアアクセスPHY用の単一のポートインターフェイスで単一のケーブルを配線できます。

マルチドロップアクセスをサポートし、ケーブルでの潜在的な競合を回避するために、2つのアプローチがあります。 1つ目は、1980年代の元のイーサネット実装を思い起こさせるCarrier Sense Multiple Access / Collision Detection（CSMA / CD）を使用することです。このアプローチでは、各ステーションは送信する前にまずバス上のトラフィックをリッスンします。複数のステーションが同時に送信を試みた場合、衝突が検出され、各ステーションは送信を停止し、ランダムな短い時間待機してから、アイドル状態のバスをリッスンして送信を再試行するプロセスが繰り返されます。これは単純なアプローチですが、通信に確率的要素が追加され、遅延が発生します。

アプリケーションが特に遅延に敏感な場合は、代替の物理層衝突回避（PLCA）メカニズムをCSMA / CDに追加できます。この場合、1つのステーションがマスターに指定され、ビーコンで指定されたステーションのみを許可するビーコンを送信します。送信（トークンリングの実装のようなもの）。これにより、各ステーションに指定されたスロットが提供され、ステーション数が最大31ステーションに増加するときに衝突が発生する可能性がなくなるため、決定が容易になります。 PoDLは、マルチドロップアプリケーションで使用するためにまだ定義されていないことに注意してください。

イーサネットはイーサネットです

SPEの重要な利点の1つは、最終的な分析ではイーサネットであるということです。したがって、プロトコルスタックに関する限り、SPEは他のすべてのイーサネットセグメントとまったく同じです。これは、SPE実装に加えてIPv4/IPv6プロトコルを簡単に使用できることを意味します。ソフトウェアチームは通信に標準のIPベースのAPIを使用できるため、これはソフトウェア開発の大幅な時間の節約になります。フィールドバスバリアントの1つからIPに、またはその逆にプロトコル変換する必要がないため、遅延が減少し、プロトコルコンバータデバイスのコストが削減されます。

SPEスイッチでの自動速度検出も、一般的な4ペアイーサネットスイッチと同様に可能です。したがって、1つのスイッチで10BASE-T1、100BASE-T1、および1000 BASE-T1セグメントを処理できるだけでなく、パネルPCなどの従来のITハードウェアへのデバッグまたはインターフェイス用の従来の2ペアまたは4ペアのイーサネットインターフェイスをサポートできます。スイッチは、必要に応じてリモートデバイスに電力を供給するPoDLをサポートすることもできます。

SPEと従来のイーサネットセグメントを誤って混同しないようにするために、SPEはIEC63171-6コネクタを使用します。このコネクタはオープンスタンダードであり、IP20バージョンとIP65/67バージョンの両方で使用できます。メーカーは、標準の挿入、プッシュ/プル、およびねじタイプの合わせ面でコネクタを提供しています。さらに、既存のフィールドバス実装に見られるM8コネクタとM12コネクタの両方のオプションがあります。

展望

SPEはインダストリー4.0で重要な役割を果たす準備ができています。 SPEインダストリアルパートナーネットワークは、ケーブル、アセンブリ、PHYシリコン、イーサネットスイッチ、および評価デバイスを提供している30を超えるメーカーですでに構成されています。 SPEは、パフォーマンスの向上、既存のケーブルプラントの利用、電力の提供、および従来のITタイプのイーサネット実装とのソフトウェア互換性を備えており、既存のシステムが古くなるにつれて、有線センサーとアクチュエーターを置き換えるための比較的低コストのアップグレードパスを提供します。 。 SPEは産業用自動化と自動車の未来ですか？確かに可能性があります。

この記事は、エアロスペースコーポレーション（カリフォルニア州エルセグンド）の組み込みシステムアーキテクトであるシニアプロジェクトリーダーのマイクアンダーソンによって書かれました。詳細については、アンダーソン氏（michael.e.anderson @ aero.org）に問い合わせるか、ここにアクセスしてください 。