工業(yè)應(yīng)用為什么需要以太網(wǎng)，何為工業(yè)以太網(wǎng)物理層

（文章來(lái)源：EEWORLD）
越來(lái)越多的工業(yè)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)連接來(lái)解決制造商面臨的工業(yè)4.0和智能工廠通信關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)集成、同步、終端連接和系統(tǒng)互操作性挑戰(zhàn)。以太網(wǎng)互聯(lián)工廠通過(guò)實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)(IT)與操作技術(shù)(OT)網(wǎng)絡(luò)之間的連接，可提高生產(chǎn)率，同時(shí)提高生產(chǎn)的靈活性和可擴(kuò)展性。這樣，使用一個(gè)支持時(shí)限通信的無(wú)縫、安全的高帶寬網(wǎng)絡(luò)便可監(jiān)控工廠的所有區(qū)域。

規(guī)模計(jì)算和可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施是互聯(lián)工廠的命脈。當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)面臨著流量負(fù)載不斷增長(zhǎng)以及眾多協(xié)議之間互操作性的挑戰(zhàn)，這些協(xié)議需要使用復(fù)雜且耗電的網(wǎng)關(guān)來(lái)轉(zhuǎn)換整個(gè)工廠的流量。通過(guò)向工廠邊緣終端無(wú)縫交付關(guān)鍵的確定性性能，工業(yè)以太網(wǎng)可解決同一網(wǎng)絡(luò)中的這些互操作性問(wèn)題。過(guò)去一直缺乏專為可靠的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的適用以太網(wǎng)物理層(PHY)。長(zhǎng)期以來(lái)，工業(yè)通信設(shè)備的設(shè)計(jì)人員不得不使用針對(duì)大眾市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的消費(fèi)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY。在工業(yè)4.0時(shí)代，終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量正在加速增長(zhǎng)，確定性對(duì)于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)工廠極其重要，因此增強(qiáng)的工業(yè)級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)PHY至關(guān)重要。

由于以太網(wǎng)是受到廣泛支持的、可擴(kuò)展、靈活的高帶寬通信解決方案，所以一直以來(lái)都是IT領(lǐng)域的通信之選。此外，它還具有IEEE標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的互操作性優(yōu)勢(shì)。然而，實(shí)現(xiàn)IT和OT網(wǎng)絡(luò)之間的連接以及基于以太網(wǎng)技術(shù)的無(wú)縫連接面臨著一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，那就是如何在要求時(shí)限連接的惡劣工業(yè)環(huán)境下進(jìn)行部署。

如圖顯示了智能工廠中基于工業(yè)以太網(wǎng)連接的互聯(lián)移動(dòng)應(yīng)用。多軸同步和精密運(yùn)動(dòng)控制對(duì)于在智能工廠中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)和加工至關(guān)重要。隨著對(duì)生產(chǎn)能力和輸出質(zhì)量的要求越來(lái)越高，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也需要更快的響應(yīng)時(shí)間和更高的驅(qū)動(dòng)精度。系統(tǒng)性能提高要求終端設(shè)備中使用的伺服電機(jī)軸更緊密地同步。實(shí)時(shí)100 Mb以太網(wǎng)廣泛用于當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。但是，同步僅涉及網(wǎng)絡(luò)主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

網(wǎng)絡(luò)需要支持跨網(wǎng)絡(luò)邊界同步到應(yīng)用，從低于1 μs的時(shí)間到伺服電機(jī)控制內(nèi)的PWM輸出。這提高了多軸應(yīng)用的加工和生產(chǎn)精度，如采用更高數(shù)據(jù)速率的千兆工業(yè)以太網(wǎng)和IEEE 802.1時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床。利用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，所有設(shè)備均可連接到一個(gè)高帶寬聚合網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)邊緣到云連接。

在工業(yè)環(huán)境中，部署以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安裝人員面臨的主要挑戰(zhàn)就是穩(wěn)健性和較高的環(huán)境溫度。較長(zhǎng)的電纜敷設(shè)路徑周圍存在來(lái)自電機(jī)和生產(chǎn)設(shè)備的高壓瞬變，從而可能會(huì)損壞數(shù)據(jù)和設(shè)備。為成功部署工業(yè)以太網(wǎng)（如圖1所示），需要一種增強(qiáng)型以太網(wǎng)PHY技術(shù)，要求性能穩(wěn)定可靠，低功耗、低延遲，采用小型封裝，并且可以在嘈雜的高溫環(huán)境下工作。本文將討論在互聯(lián)工廠中部署以太網(wǎng)PHY解決方案所面臨的挑戰(zhàn)。

工業(yè)以太網(wǎng)PHY是一種物理層收發(fā)器器件，根據(jù)OSI網(wǎng)絡(luò)模式收發(fā)以太網(wǎng)幀。在OSI模式中，以太網(wǎng)覆蓋第1層（物理層）和第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）的一部分，并由IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)定義。物理層指定電信號(hào)類型、信號(hào)速度、介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。它?shí)施1000BASE-T (1000 Mbps)、100BASE-TX（100 Mbps，銅纜）和10BASE-T (10 Mb)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層部分。

數(shù)據(jù)鏈路層指定如何通過(guò)介質(zhì)進(jìn)行通信，以及傳輸和接收消息的幀結(jié)構(gòu)。這僅僅意味著位如何從電線上分離出來(lái)并進(jìn)入位排列，以便從位流中提取數(shù)據(jù)。對(duì)于以太網(wǎng)，這稱為介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)，將集成至主機(jī)處理器或以太網(wǎng)交換機(jī)中。例如，fido5100和fido5200這兩款ADI嵌入式、雙端口工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式交換機(jī)，用于支持多協(xié)議、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備連接的第2層連接。
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