A interconectividade de comunicação confiável e estável é a força vital da automação industrial. Dado o grande número de sensores e atuadores em equipamentos industriais e a variedade de sistemas e protocolos predominantes em cenários industriais-reais, inúmeros gateways tradicionais são empregados para transmitir e converter dados durante todo o processo. A automação industrial deve levar em conta os requisitos dos sistemas de TI para acesso aberto a dados e controle-em tempo real.
A Ethernet industrial desempenhou um papel significativo nesse sentido, melhorando substancialmente a eficiência e a sincronização da transmissão de dados em grande-escala em comparação com sistemas fieldbus. Em termos de hardware-, os equipamentos de comutação Ethernet compreendem chips de comutação Ethernet, CPUs, PHYs, PCBs e subsistemas de interface/porta, sendo o chip de comutação Ethernet um componente crítico. Esses chips são especializados para comutação e processamento de grandes volumes de dados e encaminhamento de mensagens, servindo como circuitos integrados-otimizados para aplicativos para redes. Os principais fornecedores de chips de switch geralmente oferecem produtos de nível comercial-com suporte de protocolo abrangente e funcionalidade robusta.
Integração de switch-chip
As funções de comutação de rede são normalmente implementadas no MAC Camada 2 da Ethernet. Os primeiros chips de switch Ethernet geralmente continham apenas a camada MAC, contando com chips PHY na Camada 1 para estabelecer conexões Ethernet reais. Com os avanços tecnológicos e a crescente demanda dos usuários por arquiteturas de sistema simplificadas, os chips de switch de rede que integram a camada física (PHY) e a camada de link (MAC) surgiram e ganharam ampla adoção.
Atualmente, muitos chips de switch 10M/100M alcançaram essa integração. No entanto, os chips de switch 10G e as portas Gigabit em switches padrão ainda exigem chips PHY dedicados. Ao discutir a conectividade Ethernet, a Broadcom é um ator importante. A Broadcom é há muito tempo líder no setor de chips de comutação Ethernet, oferecendo a linha mais abrangente de equipamentos e chips de comutação Ethernet do setor.
Com relação à integração, a solução de comutação Ethernet da arquitetura Roboswitch da Broadcom apresenta 5-configurações de 24 portas com suporte para Fast Ethernet e Gigabit Ethernet (GbE). Nessas soluções de comutação Gigabit Ethernet e de alta-velocidade, todas as funções de um sistema de comutação-de alta velocidade-, incluindo buffers de pacotes, transceptores de camada física, controladores de acesso à mídia (MAC), gerenciamento de endereços, controle de taxa-baseado em porta e malha de comutação sem{7}}bloqueio, são integradas em um único chip CMOS. Este nível de integração é excepcionalmente alto para aplicações industriais.
Para garantir alta capacidade de processamento de dados durante operações colaborativas, os caminhos lógicos internos do chip switch são extremamente complexos. As arquiteturas-líderes do setor dos principais fabricantes suportam diversas velocidades, incluindo 100M/1GE/2,5GE e 10GE, utilizando velocidades de 2,5GbE/10GbE para alcançar conexões de uplink de alta-velocidade. O chip de switch integrado também incorpora uma CPU diretamente dentro dele, permitindo o projeto de uma plataforma de switching gerenciada de-CPU-única que oferece suporte ao modo cascata sem a necessidade de um processador externo.
Em cenários de data center e aplicações de rede de aprendizagem profunda, os chips switch alcançam níveis de integração ainda mais elevados. Por exemplo, a série StrataXGS de maior-integração e maior{2}}largura de banda do mercado apresenta soluções integradas de chip único-capazes de escalar de vários gigabits a vários terabits.
Suporte a vários{0}protocolos
A prevalência de protocolos de comunicação industrial é amplamente reconhecida, e os chips de switch multi{0}}protocolo sem dúvida têm maior apelo em aplicações industriais, reduzindo significativamente as complexidades do projeto. Os chips de switch multi{4}}protocolo FIDO5100 e FIDO5200 da ADI obtêm suporte de protocolo por meio de configurações personalizáveis, utilizando firmware baixado do processador host. Esse firmware é integrado ao driver do switch multiprotocolo-Ethernet em tempo real e é baixado durante a inicialização-.
(Suporte total ao protocolo, ADI)
Configurações escaláveis e flexíveis permitem que o chip switch interaja perfeitamente com qualquer processador host. Ao aproveitar drivers de dispositivo para protocolos específicos, ele facilita o particionamento flexível do sistema e oferece maior liberdade para utilizar pilhas de protocolos de qualquer fornecedor-basta integrar a pilha de protocolos com o driver de chip de switch multi-protocolo. O suporte multi{4}}protocolo do chip switch aumenta significativamente a eficiência em cenários de automação industrial.
Busca incansável por transmissão de dados eficiente e demandas-em tempo real
Independentemente das tendências tecnológicas, os principais requisitos para transmissão eficiente e baixa latência permanecem constantes para chips switch. Isso é particularmente crítico em aplicações industriais onde o controle de movimento exige um desempenho rigoroso-em tempo real. A série FIDO mencionada acima emprega uma Unidade de Controle de Temporizador (TCU) para implementar mecanismos de sincronização para vários protocolos Ethernet industriais, suportando tempos de ciclo EtherCAT tão baixos quanto 12,5μs e tempos de ciclo PROFINET tão baixos quanto 31,25μs.
A série VSC75XTSN de chip único da Microchip integra suporte completo de hardware para IEEE 1588v2 Precision Time Protocol (PTP), incluindo registro de data e hora de hardware para todas as interfaces PHY-MAC e um relógio PTP de hardware de alta-resolução. Isso oferece sincronização em sub{7}}microssegundos para uma variedade de aplicações Ethernet industriais. A demanda por conectividade-de alta-eficiência em tempo real continua a impulsionar os chips de switch em direção a uma transmissão mais eficiente e a uma sincronização de-latência mais baixa.
Resumo
À medida que as redes transitam do barramento de campo tradicional e das conexões de 4 mA para 20 mA para a Ethernet Industrial, surgem vários desafios durante as fases de projeto e implementação da conectividade de rede. Isso impulsionou a evolução dos chips de switch Ethernet. Chips de switch potentes e flexíveis aproximam as aplicações industriais da conectividade Ethernet Industrial ideal.