Niezawodne i stabilne połączenia komunikacyjne są siłą napędową automatyki przemysłowej. Biorąc pod uwagę ogromną liczbę czujników i siłowników w sprzęcie przemysłowym oraz mnogość systemów i protokołów powszechnych w-rzeczywistych scenariuszach przemysłowych, do przesyłania i konwertowania danych w całym procesie wykorzystuje się niezliczoną ilość tradycyjnych bramek. Automatyka przemysłowa musi uwzględniać wymagania systemów informatycznych w zakresie dostępu do otwartych danych i kontroli w czasie rzeczywistym.
Ethernet przemysłowy odegrał pod tym względem znaczącą rolę, znacznie zwiększając wydajność i synchronizację transmisji danych na dużą-skalę w porównaniu z systemami magistrali polowej. Sprzęt-pod względem sprzętowym sprzęt przełączający Ethernet składa się z chipów przełącznika Ethernet, procesorów, elementów PHY, płytek drukowanych i podsystemów interfejsu/portu, przy czym chip przełącznika Ethernet jest elementem krytycznym. Chipy te specjalizują się w przełączaniu i przetwarzaniu dużych ilości danych oraz przekazywaniu wiadomości, służąc jako-zoptymalizowane pod kątem zastosowań układy scalone w sieciach. Główni dostawcy chipów przełącznikowych zazwyczaj oferują produkty-klasy komercyjnej z kompleksową obsługą protokołów i solidną funkcjonalnością.
Integracja chipów przełącznika
Funkcje przełączania sieci są zazwyczaj implementowane w warstwie 2 MAC w sieci Ethernet. Wczesne chipy przełączników Ethernet zazwyczaj zawierały tylko warstwę MAC, opierając się na chipach PHY w warstwie 1 w celu ustanowienia rzeczywistych połączeń Ethernet. Wraz z postępem technologicznym i rosnącym zapotrzebowaniem użytkowników na uproszczone architektury systemów, pojawiły się i zyskały szerokie zastosowanie chipy przełączników sieciowych integrujące warstwę fizyczną (PHY) i warstwę łącza (MAC).
Obecnie wiele chipów przełączników 10M/100M osiągnęło tę integrację. Jednak chipy przełączników 10G i porty Gigabit w standardowych przełącznikach nadal zazwyczaj wymagają dedykowanych chipów PHY. Jeśli chodzi o łączność Ethernet, firma Broadcom odgrywa kluczową rolę. Broadcom od dawna jest liderem w sektorze chipów przełączników Ethernet, oferującym najbardziej wszechstronną w branży gamę sprzętu i chipów przełączających Ethernet.
Jeśli chodzi o integrację, rozwiązanie przełączające Ethernet w architekturze Roboswitch firmy Broadcom obejmuje konfiguracje z 5-24 portami obsługującymi Fast Ethernet i Gigabit Ethernet (GbE). W przypadku tych rozwiązań przełączających o dużej-szybkości i Gigabit Ethernet wszystkie funkcje systemu przełączania o dużej-szybkości-w tym bufory pakietów, transceivery warstwy fizycznej, kontrolery dostępu do mediów (MAC), zarządzanie adresami,-kontrola szybkości transmisji w oparciu o porty i-nieblokująca struktura przełączająca są zintegrowane w jednym chipie CMOS. Ten poziom integracji jest wyjątkowo wysoki w zastosowaniach przemysłowych.
Aby zapewnić wysoką wydajność przetwarzania danych podczas operacji współpracy, wewnętrzne ścieżki logiczne chipa przełączającego są niezwykle złożone. Wiodące w branży-architektury głównych producentów obsługują wiele prędkości, w tym 100M/1GE/2,5GE i 10GE, wykorzystując prędkości 2,5GbE/10GbE w celu uzyskania-szybkich połączeń wysyłających. Zintegrowany układ przełącznika zawiera także bezpośrednio procesor, co umożliwia zaprojektowanie platformy przełączającej z jednym-procesorem-zarządzanym, która obsługuje tryb kaskadowy bez konieczności stosowania zewnętrznego procesora.
W scenariuszach związanych z centrami danych i aplikacjami sieciowymi głębokiego uczenia się chipy przełączników osiągają jeszcze wyższy poziom integracji. Na przykład seria StrataXGS charakteryzująca się najwyższą-integracją i{2}}przepustowością na rynku obejmuje zintegrowane rozwiązania jednoukładowe- umożliwiające skalowanie od kilku gigabitów do kilku terabitów.
Obsługa wielu-protokołów
Powszechnie uznaje się, że protokoły komunikacji przemysłowej są powszechnie stosowane, a wieloprotokołowe chipy przełączników niewątpliwie są bardziej atrakcyjne w zastosowaniach przemysłowych, znacznie zmniejszając złożoność projektu. Wieloprotokołowe chipy przełączników FIDO5100 i FIDO5200 firmy ADI obsługują protokoły dzięki konfigurowalnym ustawieniom i wykorzystaniu oprogramowania sprzętowego pobranego z procesora hosta. To oprogramowanie sprzętowe jest zintegrowane ze sterownikiem-wieloprotokołowego-przełącznika Ethernet czasu rzeczywistego i jest pobierane podczas-włączenia zasilania.
(Pełna obsługa protokołów, ADI)
Skalowalne i elastyczne konfiguracje umożliwiają płynną współpracę chipa przełączającego z dowolnym procesorem hosta. Wykorzystując sterowniki urządzeń dla określonych protokołów, ułatwia elastyczne partycjonowanie systemu, oferując jednocześnie większą swobodę wykorzystania stosów protokołów dowolnego dostawcy.-Wystarczy zintegrować stos protokołów z wieloprotokołowym-sterownikiem chipa przełącznika. Obsługa wielu protokołów-chipu przełączającego znacznie zwiększa wydajność w scenariuszach automatyki przemysłowej.
Nieustające dążenie do wydajnej transmisji danych i wymagań w czasie rzeczywistym
Niezależnie od trendów technologicznych, podstawowe wymagania dotyczące wydajnej transmisji i małych opóźnień pozostają niezmienne w przypadku chipów przełączników. Jest to szczególnie istotne w zastosowaniach przemysłowych, gdzie sterowanie ruchem wymaga rygorystycznej wydajności w czasie-rzeczywistym. Wspomniana seria FIDO wykorzystuje moduł sterujący timerem (TCU) do implementacji mechanizmów synchronizacji dla różnych protokołów przemysłowych Ethernet, obsługując czasy cykli EtherCAT tak niskie, jak 12,5 μs i czasy cykli PROFINET tak niskie, jak 31,25 μs.
Pojedyncza-chipowa seria VSC75XTSN firmy Microchip integruje pełną obsługę sprzętową protokołu IEEE 1588v2 Precision Time Protocol (PTP), w tym sprzętowe znaczniki czasu dla wszystkich interfejsów PHY-MAC i sprzętowy zegar PTP-o wysokiej rozdzielczości. Zapewnia to sub-mikrosekundową synchronizację dla szeregu zastosowań przemysłowych Ethernet. Zapotrzebowanie na-wysokoefektywną łączność w czasie rzeczywistym-w dalszym ciągu napędza chipy przełączników w kierunku bardziej wydajnej transmisji i synchronizacji z mniejszymi-opóźnieniami.
Streszczenie
W miarę przechodzenia sieci z tradycyjnej magistrali obiektowej i połączeń 4 mA na 20 mA na przemysłowy Ethernet, na etapach projektowania i wdrażania łączności sieciowej pojawia się wiele wyzwań. To spowodowało ewolucję chipów przełączników Ethernet. Wydajne i elastyczne chipy przełączników przybliżają aplikacje przemysłowe do osiągnięcia idealnej łączności Ethernet przemysłowy.