適用于惡劣工業(yè)環(huán)境下時限通信的可靠以太網(wǎng)物理層解決方案

by Maurice O'Brien

工業(yè)應(yīng)用為什么要采用以太網(wǎng)？

越來越多的工業(yè)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)連接來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)工廠通過實現(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，同時提高生產(chǎn)的靈活性和可擴(kuò)展性。這樣，使用一個支持時限通信的無縫、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)來轉(zhuǎn)換整個工廠的流量。通過向工廠邊緣終端無縫交付關(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題。過去一直缺乏專為可靠的工業(yè)環(huán)境設(shè)計的適用以太網(wǎng)物理層(PHY)。長期以來，工業(yè)通信設(shè)備的設(shè)計人員不得不使用針對大眾市場開發(fā)的消費(fèi)級標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY。在工業(yè)4.0時代，終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量正在加速增長，確定性對于實現(xiàn)互聯(lián)工廠極其重要，因此增強(qiáng)的工業(yè)級工業(yè)以太網(wǎng)PHY至關(guān)重要。

IT與OT以太網(wǎng)連接

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，所以一直以來都是IT領(lǐng)域的通信之選。此外，它還具有IEEE標(biāo)準(zhǔn)帶來的互操作性優(yōu)勢。然而，實現(xiàn)IT和OT網(wǎng)絡(luò)之間的 連接以及基于以太網(wǎng)技術(shù)的無縫連接面臨著一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，那就是如何在要求時限連接的惡劣工業(yè)環(huán)境下進(jìn)行部署。

工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用和以太網(wǎng)部署挑戰(zhàn)

圖1顯示了智能工廠中基于工業(yè)以太網(wǎng)連接的互聯(lián)移動應(yīng)用。多軸同步和精密運(yùn)動控制對于在智能工廠中實現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)和加工至關(guān)重要。隨著對生產(chǎn)能力和輸出質(zhì)量的要求越來越高，伺 服電機(jī)驅(qū)動器也需要更快的響應(yīng)時間和更高的驅(qū)動精度。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。實時100Mb以太網(wǎng)廣泛用于當(dāng)今的運(yùn)動控制系統(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。

圖1. 通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的互聯(lián)移動應(yīng)用。

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時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床。利用實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，所有設(shè)備均可連接到一個高帶寬聚合網(wǎng)絡(luò)，以實現(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。較長的電纜敷設(shè)路徑周圍存在來自電機(jī)和生產(chǎn)設(shè)備的高壓瞬變，從而可能會損壞數(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)。

何為工業(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IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義。物理層指 定電信號類型、信號速度、介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。它實?000BASE-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并進(jìn)入位排列，以便從位流中提取數(shù)據(jù)。對于以太網(wǎng)，這稱為介質(zhì)訪問控制 (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、實時工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備連接的第2層連接。

工業(yè)應(yīng)用的以太網(wǎng)物理層要求

1：功耗和較高的環(huán)境溫度

工業(yè)應(yīng)用中的以太網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備通常封裝在IP66/IP67密封外殼中。IP等級是指電氣設(shè)備對水、污垢、灰塵和沙子的耐受力。IP后面的第一個數(shù)字是IEC分配的防固體等級。在這里，6意味著與物 質(zhì)直接接觸8小時后，無有害的灰塵或污物滲入設(shè)備中。隨后是防水等級6和7。6意味著可在強(qiáng)大的噴射流中防止水滲入，而7意味著設(shè)備可浸入1米深的淡水中30分鐘。

使用這些密封外殼后，由于外殼的導(dǎo)熱能力下降，以太網(wǎng)PHY設(shè)備面臨的兩個主要挑戰(zhàn)就是功耗和較高的環(huán)境溫度。部署工業(yè)以太網(wǎng)時，需要使用工作溫度高達(dá)105且功耗極低的以太網(wǎng)PHY 設(shè)備。

典型的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用線性和環(huán)形拓?fù)溥M(jìn)行部署。與星形網(wǎng)絡(luò)相比，這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錅p少了布線長度，且在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中留有冗余路徑。連接至線性或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的每個設(shè)備都需要兩個以 太網(wǎng)端口，以便沿網(wǎng)絡(luò)傳遞以太網(wǎng)幀。在這些用例中，以太網(wǎng)PHY功耗變得更為重要，因為每個互聯(lián)設(shè)備都有兩個PHY。千兆PHY功耗對總功耗有重大影響，而低功耗PHY可以為設(shè)備中的FPGA/處理器和以太網(wǎng)交換機(jī)提供更多的可用功耗預(yù)算。

我們來看圖2中的示例，設(shè)備的功耗預(yù)算為2.5 W，包括FPGA、DDR存儲器和需要1.8 W功耗預(yù)算的以太網(wǎng)交換機(jī)。這樣，兩個PHY的可用功耗預(yù)算僅剩下700 mW。為滿足設(shè)備的散熱要求，需使用功耗<350 mW的Gb PHY。當(dāng)今市場上只有少數(shù)PHY滿足這一功耗要求。

圖2. 低功耗工業(yè)以太網(wǎng)PHY設(shè)備。

2：EMC/ESD穩(wěn)健性

在生產(chǎn)設(shè)備噪音會產(chǎn)生高壓瞬變和設(shè)備安裝人員和操作人員可能帶來靜電放電事件的惡劣工廠條件下，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的電纜敷設(shè)路徑可能長達(dá)100米。因此，穩(wěn)健可靠的物理層技術(shù)對于工業(yè)以太網(wǎng)的成功部署至關(guān)重要。

工業(yè)設(shè)備通常需要滿足下述EMC/ESD IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)：

IEC 61000-4-5浪涌

IEC 61000-4-4電快速瞬變脈沖群(EFT)

IEC 61000-4-2 ESD

IEC 61000-4-6射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度

EN 55032電磁輻射騷擾

EN 55032傳導(dǎo)騷擾

產(chǎn)品通過這些標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的相關(guān)成本比較高，如果需要進(jìn)行設(shè)計迭代來滿足其中任何一個標(biāo)準(zhǔn)，那么新產(chǎn)品的推出通常會延遲。使用已經(jīng)通過IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)測試的PHY設(shè)備可顯著降低新產(chǎn)品 開發(fā)成本和風(fēng)險。

3：以太網(wǎng)PHY延遲

對于需要實時通信的應(yīng)用（如圖1所示），進(jìn)行精確的運(yùn)動控制非常重要，PHY延遲亦會是一個重要的設(shè)計規(guī)范，因為它是整個工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)周期時間的關(guān)鍵部分。網(wǎng)絡(luò)周期時間是控制器 收集和更新所有器件的數(shù)據(jù)所需的通信時間。降低網(wǎng)絡(luò)周期時間可在時限通信中實現(xiàn)更高的應(yīng)用性能。低延遲以太網(wǎng)PHY有助于較大限度地減少網(wǎng)絡(luò)周期時間，允許更多器件連接到網(wǎng)絡(luò)。

由于線性和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)需要兩個以太網(wǎng)端口將數(shù)據(jù)從一個設(shè)備傳輸至下一個設(shè)備，所以對于有兩個端口（數(shù)據(jù)輸入端口/數(shù)據(jù)輸出端口）的設(shè)備，以太網(wǎng)PHY延遲的影響也會翻倍，見圖3。在 一個擁有32臺設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)(64 PHY)中，如果PHY延遲降低25%，那么這一工業(yè)以太網(wǎng)PHY延遲的降低將對可連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能（周期時間）產(chǎn)生顯著的影響。

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

4：以太網(wǎng)PHY數(shù)據(jù)速率可擴(kuò)展性

采用支持不同數(shù)據(jù)速率的工業(yè)以太網(wǎng)PHY設(shè)備亦非常重要：10 Mb、100 Mb和1 Gb。PLC和運(yùn)動控制器之間的連接需要高帶寬的千兆(1000BASE-T) TSN以太網(wǎng)連接?，F(xiàn)場級連接采用在100 Mb (100BASE-TX)PHY中運(yùn)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(diǎn)/邊緣節(jié)點(diǎn)連接，IEEE 802.3cg/10BASE-T1L中有一個新的物理層標(biāo)準(zhǔn)，支持在長達(dá)1千米的單根雙絞線電纜上以10 Mb帶寬采用低功耗以太網(wǎng)PHY技術(shù)，并且可用于過程控制中的本質(zhì)安全應(yīng)用。參見圖4，了解過程控制以太網(wǎng)連接和可擴(kuò)展以太網(wǎng)PHY數(shù)據(jù)速率（從PLC到終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行器和現(xiàn)場儀器儀表）的需求。

圖4. 過程控制，無縫云端連接技術(shù)。

5：解決方案尺寸

隨著以太網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣擴(kuò)散，互聯(lián)節(jié)點(diǎn)的尺寸變得越來越小。以太網(wǎng)互聯(lián)傳感器/執(zhí)行器的產(chǎn)品尺寸可以非常小，因此需要將PHY置于專為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的小封裝內(nèi)。事實證明，引 腳間距為0.5毫米的LFCSP/QFN封裝較為可靠，無需昂貴的PCB制造流程，而且底部裸露焊盤可用于較高的環(huán)境溫度條件下，從而增加了功耗。

6：產(chǎn)品耐久性

產(chǎn)品壽命是工業(yè)設(shè)備制造商關(guān)心的一個問題，因為其設(shè)備通常可在現(xiàn)場使用15年以上。所以產(chǎn)品停產(chǎn)意味著需要重新設(shè)計新產(chǎn)品，這會帶來高成本，而且非常耗時。工業(yè)以太網(wǎng)PHY設(shè)備必 須具有較長的產(chǎn)品壽命，而消費(fèi)電子、大眾市場、以太網(wǎng)PHY供應(yīng)商通常不支持這種產(chǎn)品。

適合可靠的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng)PHY要求概覽

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分類：

A類

鏈接不會斷開。

連續(xù)丟失或錯誤的數(shù)據(jù)包不會超過兩個。*

系統(tǒng)必須正常運(yùn)行，且在應(yīng)力測試后無錯誤，無需用戶干預(yù)。

B類

鏈接不會斷開

允許數(shù)據(jù)包丟失和出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)包。

系統(tǒng)必須正常運(yùn)行，且在應(yīng)力測試后無錯誤，無需用戶干預(yù)。

C類

在測試和/或系統(tǒng)需要用戶干預(yù)時，鏈接斷開。例如，在應(yīng)力測試后重置或重啟以恢復(fù)正常運(yùn)行。

*請注意，功能測試軟件無法確定問題包是否是連續(xù)的。

新型工業(yè)以太網(wǎng)PHY技術(shù)

ADI公司最近發(fā)布了兩款全新的工業(yè)以太網(wǎng)PHY，可在環(huán)境溫度高達(dá)105°C的惡劣工業(yè)條件下可靠運(yùn)行。公司一直致力于工業(yè)終端市場應(yīng)用，確保為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)生產(chǎn)壽命較長的新產(chǎn)品。針 對本文所述挑戰(zhàn)而專門開發(fā)的ADIN1300和ADIN1200具有如下增強(qiáng)的PHY特性：

增強(qiáng)的鏈接斷開檢測，可在10 μs內(nèi)檢測到鏈接斷開

實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議要求（如EtherCAT?)

數(shù)據(jù)包起始檢測支持IEEE 1588時間戳

整個網(wǎng)絡(luò)要求實現(xiàn)精確的時序

MDI引腳提供增強(qiáng)ESD保護(hù)

RJ-45接頭具有ESD穩(wěn)健性

PHY啟動時間：< 15 ms

從電源狀態(tài)良好到管理接口/寄存器可用的時間

片內(nèi)電源監(jiān)視器

提高了上電時的系統(tǒng)穩(wěn)定性

ADIN1200和ADIN1300工業(yè)以太網(wǎng)PHY特性概覽參見表2。

ADIN1300是業(yè)界具有出色的功耗、延遲和封裝尺寸特性的10Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)PHY，其EMC和ESD穩(wěn)健性已經(jīng)過廣泛測試，可在高達(dá)105°C的環(huán)境溫度下運(yùn)行。ADIN1300 PHY已通過EMC/ESD標(biāo)準(zhǔn)測試，如表3所示。通過使用已通過IEC和EN標(biāo)準(zhǔn)廣泛測試的以太網(wǎng)PHY技術(shù)，可顯著降低產(chǎn)品合規(guī)性測試和認(rèn)證的相關(guān)成本和時間。

ADIN1200低功耗10 Mbps/100 Mbps穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY已經(jīng)過廣泛的EMC和ESD穩(wěn)健性測試，可在高達(dá)105°C的環(huán)境溫度下運(yùn)行。帶fido5200的ADIN1200為多協(xié)議、實時工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備連接提供系統(tǒng) 級解決方案，支持Profinet?, EtherNet/IP?、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實現(xiàn)嵌入式雙端口設(shè)備連接，如圖5所示。

圖5. 帶有fido5200的ADIN1200，用于實時多協(xié)議工業(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選型指南中。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選型指南中。更多詳情，請參見Beckhoff的應(yīng)用筆記——PHY選型指南。

客戶支持

提供用于ADIN1300和ADIN1200的客戶評估板，以及用于加快評估的軟件GUI。有關(guān)應(yīng)用板軟件GUI功能的視頻教程，參見analog.com 的ADIN1300和ADIN1200產(chǎn)品頁面。圖6顯示了應(yīng)用電路板和軟件GUI。

圖6. ADIN1300和ADIN1200客戶評估板和軟件GUI。

總結(jié)

為實現(xiàn)IT和OT網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，實現(xiàn)工業(yè)4.0的價值，針對工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計的增強(qiáng)物理層技術(shù)是一個關(guān)鍵的設(shè)計選擇。穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY技術(shù)可解決功耗、延遲、解決方案尺寸、105°C環(huán) 境溫度、穩(wěn)健性(EMC/ESD)和較長產(chǎn)品壽命問題，是實現(xiàn)互聯(lián)工廠的基礎(chǔ)。為解決本文所述挑戰(zhàn)，ADI公司近期推出了兩款全新的穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY，即ADIN1300(10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps)和ADIN1200(10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps)

審核編輯 黃宇