Cómo agregar Ethernet industrial de manera rápida y rentable a los equipos de la Industria 4.0

Los diseñadores de fábricas inteligentes para la Industria 4.0 y el Internet industrial de las cosas (IIoT) deben poder implementar rápidamente interfaces de red de control y automatización compactas, resistentes, de baja latencia y de bajo consumo. Los requisitos de rendimiento se satisfacen cada vez más con el Ethernet industrial (IE), que utiliza protocolos como PROFINET, EtherNet/IP o EtherCAT encapsulados en el protocolo Ethernet, y un nivel de control de acceso a medios (MAC) modificado para proporcionar el rendimiento de baja latencia y en tiempo real que exigen los equipos de la Industria 4.0.

Sin embargo, puede ser un desafío reunir todos los componentes necesarios para una implementación flexible de IE y, al mismo tiempo, asegurarse de que el software de IE esté certificado para garantizar un funcionamiento e interoperabilidad confiables.

También hay desafíos ambientales y de eficiencia energética. Por ejemplo, las redes de IE generalmente usan estructuras de red en línea o en anillo que tienen una longitud de cableado reducida en comparación con las redes en estrella. Sin embargo, las redes en línea y en anillo requieren dos puertos Ethernet para cada dispositivo, lo que hace que la disipación de potencia de la capa física (PHY) sea una consideración clave en el diseño.

Las temperaturas elevadas que se dan en los entornos industriales, combinadas con la necesidad de soluciones compactas, hacen que sea fundamental que los diseñadores administren cuidadosamente el presupuesto de disipación de potencia para las implementaciones de IE.

Considere un puerto de IE con un presupuesto de disipación de potencia de 2.5 vatios donde el arreglo programable de puertas en campo (FPGA), la memoria de velocidad de datos doble (DDR) y el interruptor Ethernet consumen 1.8 vatios. Eso deja 700 milivatios (mW) disponibles para dos PHY (Figura 1).

Figura 1: Cada dispositivo en una arquitectura Ethernet en línea (centro) o en anillo (derecha) requiere dos PHY (izquierda). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Además de cumplir con los exigentes presupuestos de disipación de potencia, los equipos industriales deben cumplir con varios estándares de compatibilidad electromagnética/descarga electrostática (EMC/ESD) de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y las Normas Europeas (EN):

• IEC 61000-4-2: ESD
• IEC 61000-4-4: transiente eléctrico rápido (EFT)
• IEC 61000-4-5: sobretensión
• IEC 61000-4-6: inmunidad conducida
• EN 55032: emisiones conducidas y radiadas

Probar todos estos estándares es costoso y requiere mucho tiempo. Y, si algo sale mal durante las pruebas y la certificación, se extiende el tiempo de comercialización y aumentan los costos.

El diseño de referencia simplifica la implementación de IE

Para ayudar a abordar los numerosos desafíos relacionados con la implementación de IE, Analog Devices desarrolló el diseño de referencia integrado de la plataforma RapID Generation 2 de Chronous. Chronous proporciona un entorno de desarrollo completo para IE que incluye hardware y software verificados y probados para los protocolos de IE más populares.

Incluye dos PHY de Ethernet, lo que lo hace adecuado para su uso en dispositivos conectados en red con topologías de línea o anillo. Hay tres placas disponibles que incluyen software precertificado para EtherCAT (EV-RPG2-ECZ), EtherNet/IP (EV-RPG2-ENZ) y PROFINET (EV-RPG2-PNZ). Los kits de evaluación EV-RPG2 (Figura 2) proporcionan un entorno de desarrollo completo que incluye:

• Placa base con el módulo ADIN2299 RapID Generation 2 con software de protocolo certificado
• Adaptador de corriente alterna (CA) de montaje en pared con adaptadores de clavija de conexión universales
• Cable USB A macho a USB micro B macho
• Cable Ethernet

Figura 2: Los kits de evaluación EV-RPG2 incluyen todo lo necesario para implementar rápidamente dispositivos en red de IE. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los kits de desarrollo EV-RPG2 permiten a los diseñadores verificar rápidamente la ruta de comunicación entre un procesador host y un dispositivo de fábrica inteligente, como un controlador lógico programable (PLC), antes de la integración. Junto con el software probado previamente, el EV-RPG2 presenta un bajo consumo de energía, ha sido probado según los estándares IEC y EN pertinentes, y permite la personalización para una variedad de casos de uso.

El módulo ADIN2299 cuenta con un factor de forma pequeño para aplicaciones integradas, así como un bajo consumo de energía y baja latencia. Es una solución completa y probada previamente que administra el protocolo industrial y el tráfico de red para un procesador de aplicaciones, y acelera la integración de IE en dispositivos de campo. Incluye un controlador de comunicaciones, una pila de protocolos, una memoria flash, una RAM, un controlador seguidor y dos interfaces PHY, así como el software específico necesario para EtherCAT, PROFINET en tiempo real (RT) o en tiempo real isócrono (IRT) y redes EtherNet/IP (Figura 3).

Figura 3: El módulo ADIN2299 cuenta con un factor de forma pequeño para aplicaciones integradas y tiene dos PHY de Ethernet (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El PHY en el módulo de IE integrado ADIN2299 utiliza dos transceptores Ethernet ADIN1200 de baja potencia, de un solo puerto de 10 megabits por segundo (Mbit/s) y 100 Mbit/s. El ADIN1200 tiene un núcleo PHY de Ethernet de bajo consumo, circuitos analógicos, búfer de reloj de entrada y salida, una interfaz de gestión y registros de subsistema, una interfaz MAC y lógica de control. Las características adicionales del ADIN1200 incluyen:

• Conformidad con el protocolo 10BASE-Te/100BASE-TX IEEE 802.3
• Interfaz independiente de medios (MII), interfaces MAC de MMI reducido (RMII) y de MMI de gigabit reducido (RGMII)
  • Latencia 100BASE-TX RGMII: transmite < 124 nanosegundos (ns), recibe < 250 ns
  • Latencia 100BASE-TX MII: transmite < 52 ns, recibe < 248 ns
• Cumple con:
  • IEC 61000-4-4: transiente eléctrico rápido (EFT)(±4 kilovoltios [kV])
  • IEC 61000-4-5: sobretensión (±4 kV)
  • IEC 61000-4-6: inmunidad conducida
  • EN55032 emisiones conducidas y radiadas (Clase A)
• Rango de temperatura ambiente de funcionamiento de −40 a +105 °C
• Consumo de energía de 139 mW para 100BASE-TX a 1.8 voltios
• 5 × 5 milímetros (mm), paquete a escala del chip de marco de plomo de 32 conectores (LFCSP) (Figura 4)

Figura 4: Los transceptores Ethernet ADIN1200 son robustos y su paquete LFCSP de 5 mm2 es compatible con soluciones compactas. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Conclusión

Los protocolos de IE como PROFINET, EtherNet/IP y EtherCAT pueden satisfacer la necesidad de interfaces de red de control y automatización de baja latencia requeridas en la Industria 4.0. Para acelerar la implementación de IE y reducir los costos, al tiempo que se garantiza la interoperabilidad, Analog Devices proporciona un diseño de referencia con PHY eficientes y un amplio paquete de software precertificado.

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