por:Dr. Michael Hilgner, Cornelia Eitel, Lukas Bechtel
Si solo se consideran los costos de adquisición al comparar la implementación de una red SPE frente a una red convencional, no se puede determinar el verdadero costo total de propiedad.
Single-Pair Ethernet (SPE) está en camino de convertirse en la base de una fábrica inteligente completamente automatizada.
A lo largo de una serie de blogs, hemos compartido mucha información sobre Single Pair Ethernet y las redes SPE:
- Identificado las características principales de la tecnología SPE
- Explicado cómo la adopción variará en los diferentes segmentos del mercado
- Descrito las ventajas que ofrece a diferentes partes interesadas en la automatización industrial
Ahora es el momento de explorar cómo SPE puede complementar las redes Ethernet a nivel de sensores/actuadores, junto con los obstáculos que deben superarse para que los fabricantes de componentes activos (switches y routers) y dispositivos finales (sensores y actuadores) puedan expandir sus carteras de SPE.
Cálculo del Costo Total de Propiedad para SPE
Existen cuatro fases a considerar durante el ciclo de vida de una red:
- Adquisición
- Puesta en marcha (se podría hacer una distinción entre la instalación de hardware y la configuración de software)
- Operación
- Mantenimiento
Al comparar los costos de implementación de una red SPE frente a una red convencional basada en fieldbus o interfaces seriales, a menudo solo se consideran los costos de adquisición. Los costos y beneficios de las fases posteriores del ciclo de vida, como la puesta en marcha, operación y mantenimiento, rara vez se incluyen. Al calcular los costos de los dispositivos, los precios de los transceptores Ethernet y la circuitería adicional (magnéticos) se comparan con los precios de interfaces simples como RS-485 o RS-232.
Sin embargo, para determinar el verdadero costo total de propiedad de una red SPE, es crucial considerar en detalle todas las fases de instalación.
Probabilidad de Adopción de SPE a Nivel de Sensores/Actuadores
Realizar análisis de costo-beneficio a lo largo del ciclo de vida completo de la red permite clasificar los sensores en términos de probabilidad de adopción de SPE.
- Sensores Analógicos: Los sensores analógicos que tienen corrientes (por ejemplo, 4-20 mA) o voltajes (por ejemplo, 0-10 V) proporcionales a variables medidas (presiones o temperaturas), convertidos en módulos de E/S analógicos y empaquetados en tramas Ethernet, rara vez están equipados con SPE debido a la baja relación costo-beneficio que ofrece este escenario.
- Sensores Digitales Simples: Los sensores digitales simples, donde la conversión de la variable medida en una señal digital se realiza en el sensor y se conecta a una red Ethernet a través de módulos de E/S digitales, integrarán SPE en menor medida. Esto permite que los sensores aprovechen la implementación consistente de Ethernet. Mover el transceptor Ethernet del módulo de E/S a los sensores es particularmente útil para aplicaciones con un pequeño número de sensores o que tienen grandes distancias entre ellos.
- Sensores Digitales Inteligentes: Los sensores digitales inteligentes conectados a través de fieldbuses o interfaces seriales se benefician del mayor ancho de banda que ofrece SPE. También se benefician de las características de seguridad disponibles para Ethernet. En este sentido, se puede esperar un nivel significativo de adopción de SPE para los sensores digitales inteligentes.
- Sensores Inteligentes: Los sensores inteligentes con altos requerimientos de ancho de banda ya están conectados hoy en día a través de sistemas Ethernet. Consideremos cámaras que requieren un ancho de banda nativo de entre 1,6 Mb/s y 4,3 Mb/s (dependiendo de la calidad del video), con un códec estándar (H.264) a una resolución de 2 MP y una tasa de fotogramas de 20 f/s. Este requerimiento de ancho de banda aumenta cuando se transmiten datos vitales adicionales, lo que permite servicios de valor agregado, como el mantenimiento.
Este requerimiento de ancho de banda aumenta con la transmisión adicional de datos vitales, lo que habilita servicios de valor agregado. La adopción de SPE es más probable en esta categoría de sensores no solo debido a este requerimiento, sino también (y especialmente) por los largos alcances de 10BASE-T1L y 100BASE-T1L (el objetivo de IEEE 802.3dg es 100 Mb/s en 500 m) y la alimentación remota a través de PoDL/SPoE.
Barreras para la Adopción de SPE desde la Perspectiva de los Fabricantes de Dispositivos
Para satisfacer los diversos requisitos de los diferentes mercados objetivo para SPE, los fabricantes de dispositivos han definido estándares con diferentes anchos de banda, longitudes de cable y topologías para la capa de transmisión física.
Existen una variedad de protocolos industriales utilizados para las capas superiores, junto con diversos conectores que complementan diferentes entornos industriales y sus requisitos para aspectos como:
- Impermeabilidad al polvo y la humedad
- Resistencia a sustancias químicas
- Robustez contra el estrés mecánico y la interferencia electromagnética (EMI)
Debido a la cantidad de posibles combinaciones de requisitos, los fabricantes de componentes de infraestructura activa y dispositivos finales probablemente enfrentarán esta complejidad ofreciendo soluciones que solo se aplican a ciertas aplicaciones que ofrecen una relación costo/beneficio económicamente viable.
Aunque esto podría ralentizar la adopción general de redes y tecnología SPE, la estandarización temprana y el establecimiento de estándares comunes en la industria son formas posibles de superarlo.
Los fabricantes también deben enfrentarse al hecho de que los componentes electrónicos ya han sido desarrollados para aplicaciones automotrices. Su implementación requiere esfuerzo adicional. Un ejemplo destacado de esto son los chips de transceptor multi-puerto y switch adecuados para SPE que están siendo ofrecidos por los fabricantes de semiconductores.
Por ejemplo, actualmente es necesario conectar chips de switch y PHY de un solo puerto utilizando RGMII, RMII o MII, que son interfaces independientes del medio. Con su alto número de señales, estas interfaces, así como el uso de chips PHY de un solo puerto, llevan a una mayor complejidad en el enrutamiento de señales en la PCB y aumentan los requisitos de espacio.
Mientras que las interfaces modernas, como SGMII, requieren cuatro señales por puerto, se necesitan 16 señales para una interfaz MII y 8 señales para una interfaz RMII. Además, se requieren interfaces de gestión MDIO y MDC para cada chip PHY de un solo puerto.
Los chips PHY multi-puerto SPE con interfaces adecuadas independientes del medio, como SGMII o QSGMII, actualmente no están disponibles. Específicamente para 10BASE-T1L, estas interfaces, que están diseñadas para operación gigabit, no son un área de enfoque para los fabricantes de semiconductores.
Pero el desarrollo de ASICs de switch está siendo impulsado por los rápidamente crecientes requisitos de ancho de banda y, como resultado, se están optimizando las interfaces MAC-PHY correspondientes con anchos de banda de varios gigabits.
La incompatibilidad de interfaces debe superarse mediante chips adicionales para la conversión de protocolos, lo que hace que el desarrollo de switches de campo adecuados sea más costoso.
SPE Está Listo para Demostrarse
SPE trae un potencial de innovación para los diversos profesionales involucrados en las cuatro fases del ciclo de vida de la instalación de una red. Esto también se refleja fuertemente en las diversas actividades de estandarización en la IEEE y organizaciones de usuarios.
A pesar de la larga historia de estandarización de IEEE, SPE sigue siendo una tecnología relativamente joven que se probará principalmente en sensores más complejos e inteligentes antes de llegar a sensores más simplificados. Con la creciente disponibilidad de componentes y hardware, SPE seguirá consolidándose en la dirección de los segmentos de sensores más económicos y garantizará la armonización de los componentes de red.