以太網(wǎng)物理層解決方案用于惡劣工業(yè)環(huán)境中的時間關鍵型通信

為什么在工業(yè)應用中使用以太網(wǎng)？

工業(yè)系統(tǒng)越來越多地采用以太網(wǎng)連接來解決制造商的關鍵工業(yè)4.0和智能工廠通信挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括數(shù)據(jù)集成、同步、邊緣連接和系統(tǒng)互操作性。以太網(wǎng)連接的工廠通過實現(xiàn)信息技術 （IT） 和運營技術 （OT） 網(wǎng)絡之間的連接，實現(xiàn)更高的制造生產(chǎn)率，以及更靈活和可擴展的制造。這允許在支持時間關鍵型通信的單一、無縫、安全和高帶寬網(wǎng)絡上監(jiān)視和控制工廠的所有區(qū)域。

規(guī)模計算和強大的通信基礎設施是互聯(lián)工廠的命脈。當今的網(wǎng)絡正在努力應對不斷增加的流量負載和跨無數(shù)協(xié)議的互操作性挑戰(zhàn)，這些協(xié)議需要復雜、耗電的網(wǎng)關來轉(zhuǎn)換整個工廠的流量。工業(yè)以太網(wǎng)通過在工廠邊緣無縫提供關鍵的確定性性能，解決了單個網(wǎng)絡上的互操作性問題。從歷史上看，一直存在一個問題，即缺乏專為強大的工業(yè)環(huán)境設計的可用以太網(wǎng)物理層（PHY）。工業(yè)通信設備的設計人員不得不在為大眾市場開發(fā)的標準消費級以太網(wǎng)PHY上湊合和妥協(xié)太久。在工業(yè) 4.0 時代，邊緣節(jié)點的數(shù)量正在加速，確定性對于實現(xiàn)互聯(lián)工廠至關重要，增強型工業(yè)級工業(yè)以太網(wǎng) PHY 至關重要。

IT 與 OT 以太網(wǎng)連接

以太網(wǎng)長期以來一直被用作IT世界的通信選擇，因為它的優(yōu)勢包括支持良好，可擴展，靈活和高帶寬的通信解決方案。它還具有作為IEEE標準帶來的互操作性優(yōu)勢。然而，橋接IT和OT網(wǎng)絡以及實現(xiàn)基于以太網(wǎng)技術的無縫連接的一個關鍵挑戰(zhàn)是在需要時間關鍵連接的惡劣工業(yè)環(huán)境中部署。

工業(yè)以太網(wǎng)應用和以太網(wǎng)部署挑戰(zhàn)

基于工業(yè)以太網(wǎng)連接的智能工廠連接運動應用。多軸同步和精密運動控制對于智能工廠中的高質(zhì)量制造和加工至關重要。對生產(chǎn)吞吐量和輸出質(zhì)量的要求不斷提高，推動了對伺服電機驅(qū)動器更快響應時間和更高精度的需求。這種改進的系統(tǒng)性能要求終端設備中使用的伺服電機軸更緊密地同步。實時 100 Mb 以太網(wǎng)廣泛用于當今的運動控制系統(tǒng)。但是，同步僅涉及網(wǎng)絡主站和從站之間的數(shù)據(jù)流量。

網(wǎng)絡需要實現(xiàn)跨網(wǎng)絡邊界到應用的同步，從低于1 μs一直到伺服電機控制中的PWM輸出。這提高了多軸應用的加工和生產(chǎn)精度，例如基于更高數(shù)據(jù)速率千兆工業(yè)以太網(wǎng)的機器人和數(shù)控機床，具有IEEE 802.1時間敏感網(wǎng)絡（TSN）。這使得所有設備都可以通過實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議連接到一個高帶寬融合網(wǎng)絡上，以實現(xiàn)邊緣到云的連接。

在工業(yè)環(huán)境中，穩(wěn)健性和高環(huán)境溫度是部署以太網(wǎng)的網(wǎng)絡安裝人員面臨的主要挑戰(zhàn)。長電纜被電機和生產(chǎn)設備的高壓瞬變所包圍，可能會損壞數(shù)據(jù)并損壞設備。為了成功部署工業(yè)以太網(wǎng)，如圖1所示，需要增強型以太網(wǎng)PHY技術，該技術在可在嘈雜和高環(huán)境溫度環(huán)境中運行的小型封裝中具有魯棒性、低功耗和低延遲。本文現(xiàn)在將討論在互聯(lián)工廠中部署以太網(wǎng) PHY 解決方案的挑戰(zhàn)。

什么是工業(yè)以太網(wǎng)物理層？

工業(yè)以太網(wǎng) PHY 是一種物理層收發(fā)器設備，用于發(fā)送和接收基于 OSI 網(wǎng)絡模型的以太網(wǎng)幀。在 OSI 模型中，以太網(wǎng)覆蓋第 1 層（物理層）和第 2 層的一部分（數(shù)據(jù)鏈路層），并由 IEEE 802.3 標準定義。物理層指定電信號的類型、信令速度、媒體和網(wǎng)絡拓撲。它實現(xiàn)了 1000BASE-T （1000 Mbps）、100BASE-TX（100 Mbps 銅纜）和 10BASE-T （10 Mb） 標準的以太網(wǎng)物理層部分。

數(shù)據(jù)鏈路層指定如何通過媒體進行通信，以及傳輸和接收的消息的幀結(jié)構(gòu)。這僅僅意味著位如何從線路上脫落并進入位排列，以便可以從位流中提取數(shù)據(jù)。對于以太網(wǎng)，這稱為媒體訪問控制 （MAC），它集成到主機處理器或以太網(wǎng)交換機中。fido5100和fido5200是ADI嵌入式雙端口工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式交換機的兩個示例，用于支持多協(xié)議、實時工業(yè)以太網(wǎng)設備連接的第2層連接。

工業(yè)應用的以太網(wǎng)物理層要求

1：功耗和高環(huán)境溫度

工業(yè)應用中的以太網(wǎng)連接設備通常安裝在密封的IP66/IP67外殼中。IP 等級是指電氣設備對水、污垢、灰塵和沙子的抵抗力。IP 后的第一個數(shù)字是 IEC 為其抗固體性分配的單位的額定值。在這種情況下，六，這意味著在直接接觸該物質(zhì)八小時后，沒有有害的灰塵或污垢滲入設備。接下來，我們有防水等級六和七。六個意味著防止強力射流投射的水，而七個意味著設備可以浸入長達一米的淡水中 30 分鐘。

對于這些類型的密封外殼，功耗和高環(huán)境溫度是以太網(wǎng)PHY設備的兩大挑戰(zhàn)，因為這些外殼的熱傳導能力降低。要部署工業(yè)以太網(wǎng)，需要具有高達 105°C 的高環(huán)境溫度工作和極低功耗的以太網(wǎng) PHY 設備。

典型的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡部署在線形和環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)中。與星形網(wǎng)絡相比，這些網(wǎng)絡拓撲減少了布線長度，并且在環(huán)形網(wǎng)絡的情況下具有冗余路徑。連接到線路或環(huán)形網(wǎng)絡的每個設備都需要兩個以太網(wǎng)端口來沿網(wǎng)絡傳遞以太網(wǎng)幀。在這些用例中，以太網(wǎng) PHY 功耗變得更加重要，因為每個連接的設備有兩個 PHY。千兆位 PHY 功耗對整體功耗有重大影響，低功耗的 PHY 可為器件中的 FPGA/處理器和以太網(wǎng)交換機提供更多可用功率預算。

讓我們看一下圖2中的示例，其中我們有一個功耗預算為2.5 W的器件。它包括一個 FPGA、DDR 存儲器和一個需要 1.8 W 預算的以太網(wǎng)交換機。這只剩下兩個PHY的可用功耗預算為700 mW。為了滿足器件的散熱要求，需要具有<350 mW功耗的Gb PHY。目前，滿足此功耗目標的 PHY 選項有限。

圖2.低功耗工業(yè)以太網(wǎng) PHY 設備。

2：電磁兼容/靜電放電穩(wěn)健性

在惡劣的工廠條件下，工業(yè)網(wǎng)絡的電纜可能長達 100 米，生產(chǎn)設備噪聲會產(chǎn)生高壓瞬變，設備安裝人員和操作員發(fā)生 ESD 事件的可能性很常見。因此，成功部署工業(yè)以太網(wǎng)的強大物理層技術至關重要。

工業(yè)設備通常需要通過以下EMC/ESD IEC和EN標準：

IEC 61000-4-5 浪涌

IEC 61000-4-4 電氣快速瞬變 （EFT）

IEC 61000-4-2 靜電放電

IEC 61000-4-6 傳導抗擾度

EN 55032 輻射發(fā)射

EN 55032 傳導發(fā)射

與這些標準的產(chǎn)品認證相關的成本很高，如果需要設計迭代來滿足這些標準中的任何一個，新產(chǎn)品的推出通常會延遲。通過使用已經(jīng)按照IEC和EN標準進行測試的PHY設備，可以降低重要的新產(chǎn)品開發(fā)成本和風險。

3：以太網(wǎng) PHY 延遲

對于需要實時通信的應用，如圖1所示，精確控制運動至關重要，PHY延遲是一項重要的設計規(guī)范，因為它是整個工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡周期時間的關鍵部分。網(wǎng)絡周期時間是控制器收集和更新所有設備數(shù)據(jù)所需的通信時間。網(wǎng)絡周期時間越短，可在時間關鍵型通信中實現(xiàn)更高的應用性能。低延遲以太網(wǎng) PHY 有助于實現(xiàn)最短的網(wǎng)絡周期時間，并允許更多設備連接到網(wǎng)絡。

由于線路和環(huán)形網(wǎng)絡需要兩個以太網(wǎng)端口將數(shù)據(jù)從一個設備傳輸?shù)较乱粋€設備，因此每個設備兩個端口（數(shù)據(jù)輸入端口/數(shù)據(jù)輸出端口）對以太網(wǎng) PHY 延遲的影響是其兩倍，請參見圖 3。在由 32 個設備 （64 個 PHY） 組成的網(wǎng)絡上，PHY 延遲降低 25% 這種減少的工業(yè)以太網(wǎng) PHY 延遲對可以連接的節(jié)點數(shù)量和該工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡的性能（周期時間）的影響是顯著的。

圖3.工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡中的以太網(wǎng) PHY 延遲。

4：以太網(wǎng) PHY 數(shù)據(jù)速率可擴展性

擁有支持不同數(shù)據(jù)速率的工業(yè)以太網(wǎng) PHY 設備也很重要：10 Mb、100 Mb 和 1 Gb。 PLC 和運動控制器之間的連接需要高帶寬、千兆位 （1000BASE-T） TSN 以太網(wǎng)連接?，F(xiàn)場級連接基于在 100 Mb （100BASE-TX） PHY 上運行工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的以太網(wǎng)連接。對于終端節(jié)點/邊緣設備連接，根據(jù)IEEE 802.3cg/10BASE-T1L完成了一個新的物理層標準，該標準將在單根雙絞線電纜上實現(xiàn)低功耗以太網(wǎng)PHY技術，帶寬為10 Mb，最遠可達1 km，可用于過程控制中的本質(zhì)安全應用。參見圖4，了解過程控制以太網(wǎng)連接以及從PLC到終端節(jié)點執(zhí)行器和現(xiàn)場儀表的可擴展以太網(wǎng)PHY數(shù)據(jù)速率的需求。

圖4.過程控制，無縫的邊緣到云連接。

5：解決方案尺寸

隨著以太網(wǎng)技術向工業(yè)網(wǎng)絡邊緣擴散，連接節(jié)點的尺寸變得越來越小。以太網(wǎng)連接的傳感器/執(zhí)行器可以具有非常緊湊的外形尺寸，因此需要為工業(yè)應用開發(fā)的小型封裝中的PHY。LFCSP/QFN 封裝采用 0.5 mm 引腳間距，經(jīng)證明堅固耐用，不需要昂貴的 PCB 制造流程，并且具有下方裸露焊盤的優(yōu)勢，可在高環(huán)境溫度操作時增加功耗。

6：產(chǎn)品壽命

產(chǎn)品壽命可用性是工業(yè)設備制造商關注的問題，因為他們的設備通常在現(xiàn)場保持活動狀態(tài)超過 15 年。這意味著產(chǎn)品過時是一項非常昂貴且耗時的產(chǎn)品重新設計活動。工業(yè)以太網(wǎng) PHY 設備必須具有較長的產(chǎn)品壽命可用性，而消費者、大眾市場、以太網(wǎng) PHY 的供應商通常不支持這一點。

強大的工業(yè)以太網(wǎng)應用的工業(yè)以太網(wǎng)PHY要求摘要

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分類：

A類

沒有鏈接丟棄。

連續(xù)丟失或錯誤數(shù)據(jù)包不超過兩個。

系統(tǒng)必須正常運行，壓力后沒有錯誤，也沒有用戶干預。

B類

沒有鏈接丟棄。

允許丟失和錯誤數(shù)據(jù)包。

系統(tǒng)必須正常運行，壓力后沒有錯誤，也沒有用戶干預。

C類

鏈路在測試期間斷開和/或系統(tǒng)需要用戶干預。例如，在壓力測試后復位或重啟電源以恢復正常運行。

* 請注意，功能測試軟件無法確定問題數(shù)據(jù)包是否是連續(xù)的。

新型工業(yè)以太網(wǎng) PHY 技術

ADI公司最近發(fā)布了兩款新型工業(yè)以太網(wǎng)PHY，設計用于在惡劣的工業(yè)條件下可靠運行，環(huán)境溫度范圍高達105°C。 ADI公司對工業(yè)終端市場的承諾確保了為工業(yè)應用開發(fā)的新產(chǎn)品具有較長的產(chǎn)品壽命。此處列出了ADIN1300和ADIN1200上專門針對本文所述挑戰(zhàn)開發(fā)的增強型PHY特性：

增強的鏈路損耗檢測，可在 <10 μs 內(nèi)檢測鏈路損耗

對實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（例如 EtherCAT ）的要求?)

開始檢測 IEEE 1588 時間戳的數(shù)據(jù)包

需要在整個網(wǎng)絡中進行準確計時

MDI 引腳上的增強型 ESD 保護

RJ-45 連接器上的 ESD 魯棒性

PHY 上電時間，<15 ms

從電源良好到管理接口/寄存器可用的時間

片上電源監(jiān)視器

提高了上電時的系統(tǒng)級魯棒性

有關ADIN1200和ADIN1300工業(yè)以太網(wǎng)PHY特性的摘要，請參見表2。

ADIN1300是業(yè)界功耗最低、延遲最低、封裝尺寸最小的10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)PHY，經(jīng)過廣泛的EMC和ESD魯棒性測試，支持高達105°C的擴展環(huán)境溫度工作。 ADIN1300 PHY已按照EMC/ESD標準進行了測試，如表3所示。通過使用經(jīng)過IEC和EN標準廣泛測試的以太網(wǎng)PHY技術，可以顯著降低與產(chǎn)品合規(guī)性測試和認證相關的成本和時間。

ADIN1200低功耗、10 Mbps/100 Mbps、魯棒型工業(yè)以太網(wǎng)PHY已經(jīng)過廣泛的EMC和ESD魯棒性測試，支持高達105°C的擴展環(huán)境溫度工作。 帶有fido5200的ADIN1200可為支持Profinet、EtherNet/IP的多協(xié)議實時工業(yè)以太網(wǎng)設備連接提供系統(tǒng)級解決方案??、EtherCAT、Modbus TCP 和 Powerlink 用于嵌入式雙端口設備連接，如圖 5 所示。

圖5.ADIN1200與fido5200配合使用，用于多協(xié)議、實時工業(yè)以太網(wǎng)器件連接。

支持 Beckhoff EtherCAT 和 EtherCAT G 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

ADIN1200 PHY滿足EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的所有要求，并包含在EtherCAT PHY選擇指南中。ADIN1300 PHY滿足EtherCAT G工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的所有要求，并包含在EtherCAT G PHY選擇指南中。有關更多詳細信息，請參見 Beckhoff 的應用筆記—PHY 選擇指南。

客戶支持

ADIN1300和ADIN1200均提供客戶評估板，并提供用于快速評估的軟件GUI。有關應用板軟件GUI功能的視頻教程，請參見 analog.com 上的ADIN1300和ADIN1200產(chǎn)品頁面。圖 6 顯示了應用板和軟件 GUI。

圖6.ADIN1300和ADIN1200客戶評估板和軟件GUI。

總結(jié)

為了實現(xiàn)IT和OT網(wǎng)絡的無縫連接并釋放工業(yè)4.0的價值，為工業(yè)應用設計的增強型物理層技術是一個關鍵的設計選擇。強大的工業(yè)以太網(wǎng) PHY 技術解決了功耗、延遲、解決方案尺寸、105°C 環(huán)境溫度、穩(wěn)健性 （EMC/ESD） 和長產(chǎn)品壽命等挑戰(zhàn)，是互聯(lián)工廠的基礎。為了應對本文概述的挑戰(zhàn)，ADI公司最近發(fā)布了兩款新型魯棒型工業(yè)以太網(wǎng)PHY，即ADIN1300（10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps）和ADIN1200（10 Mbps/100 Mbps）。

審核編輯：郭婷