用于惡劣工業(yè)環(huán)境中的以太網(wǎng)物理層解決方案

為什么工業(yè)應(yīng)用中有以太網(wǎng)？

工業(yè)系統(tǒng)越來越多地采用以太網(wǎng)連接來解決制造商面臨的關(guān)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(shí)現(xiàn)信息技術(shù) （IT） 和運(yùn)營技術(shù) （OT） 網(wǎng)絡(luò)之間的連接，實(shí)現(xiàn)了更高的制造生產(chǎn)力，以及更靈活和可擴(kuò)展的制造。這使得工廠的所有區(qū)域都可以在一個(gè)支持時(shí)間關(guān)鍵型通信的單一、無縫、安全和高帶寬的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行監(jiān)控和控制。

規(guī)?；?jì)算和強(qiáng)大的通信基礎(chǔ)設(shè)施是互聯(lián)工廠的命脈。當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)面臨著不斷增加的流量負(fù)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(fù)雜、耗電的網(wǎng)關(guān)來轉(zhuǎn)換整個(gè)工廠的流量。工業(yè)以太網(wǎng)通過向工廠邊緣無縫提供關(guān)鍵的確定性性能，解決了單個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的這些互操作性問題。從歷史上看，一直存在缺乏專為穩(wěn)健工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的可用以太網(wǎng)物理層 （PHY） 的問題。長期以來，工業(yè)通信設(shè)備的設(shè)計(jì)人員不得不在為大眾市場開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)級以太網(wǎng) PHY 上勉強(qiáng)妥協(xié)。在工業(yè) 4.0 時(shí)代，

IT 與 OT 以太網(wǎng)連接

長期以來，以太網(wǎng)一直被用作 IT 世界的通信選擇，因?yàn)樗膬?yōu)勢包括支持良好、可擴(kuò)展、靈活和高帶寬的通信解決方案。它還具有作為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)所帶來的互操作性優(yōu)勢。然而，橋接 IT 和 OT 網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)技術(shù)的無縫連接的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是部署在需要時(shí)間關(guān)鍵連接的惡劣工業(yè)環(huán)境中。

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

多軸同步和精密運(yùn)動控制對于智能工廠內(nèi)的高質(zhì)量制造和加工至關(guān)重要。對生產(chǎn)吞吐量和輸出質(zhì)量的日益增長的需求正在推動對伺服電機(jī)驅(qū)動器的更快響應(yīng)時(shí)間和更高精度的需求。這種改進(jìn)的系統(tǒng)性能要求終端設(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)動控制系統(tǒng)。但是，同步只涉及網(wǎng)絡(luò)主從之間的數(shù)據(jù)流量。

網(wǎng)絡(luò)需要跨網(wǎng)絡(luò)邊界同步到應(yīng)用程序，從低于 1 μs 一直到伺服電機(jī)控制中的 PWM 輸出。這提高了多軸應(yīng)用中的加工和生產(chǎn)精度，例如基于更高數(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 CNC 機(jī)床。這使得所有設(shè)備都可以連接到一個(gè)高帶寬融合網(wǎng)絡(luò)，并使用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)邊緣到云端的連接。

在工業(yè)環(huán)境中，穩(wěn)定性和高環(huán)境溫度是部署以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安裝人員面臨的主要挑戰(zhàn)。長電纜線路被來自電機(jī)和生產(chǎn)設(shè)備的高壓瞬變包圍，可能會破壞數(shù)據(jù)和損壞設(shè)備。為了成功部署工業(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)，該技術(shù)在一個(gè)可以在嘈雜和高環(huán)境溫度環(huán)境中運(yùn)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)設(shè)備，用于基于 OSI 網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀。在 OSI 模型中，以太網(wǎng)覆蓋第 1 層（物理層）和第 2 層（數(shù)據(jù)鏈路層）的一部分，由 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)定義。物理層指定電信號的類型、信令速度、媒體和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。它?shí)現(xiàn)了 1000BASE-T （1000 Mbps）、100BASE-TX（銅纜 100 Mbps）和 10BASE-T （10 Mb） 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層部分。

數(shù)據(jù)鏈路層指定了如何通過媒體進(jìn)行通信，以及發(fā)送和接收消息的幀結(jié)構(gòu)。這僅僅意味著位如何從線路上脫離并進(jìn)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(jī)處理器或以太網(wǎng)交換機(jī)中。請參閱fido 5100和 fido 5200作為 ADI 嵌入式雙端口工業(yè)以太網(wǎng)嵌入式交換機(jī)的兩個(gè)示例，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。

工業(yè)應(yīng)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(yīng)用中的以太網(wǎng)連接設(shè)備通常安裝在密封的 IP66/IP67 外殼中。IP 等級是指電氣設(shè)備對水、污垢、灰塵和沙子的抵抗力。IP 之后的第一個(gè)數(shù)字是 IEC 為其分配的固體阻力單位的等級。在這種情況下，六，這意味著在與物質(zhì)直接接觸八小時(shí)后，沒有有害的灰塵或污垢滲入設(shè)備。接下來，我們有防水等級六和七。六意味著保護(hù)免受強(qiáng)大的噴射器噴射的水，而七意味著該設(shè)備可以浸入長達(dá) 1 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(shè)備面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些外殼的導(dǎo)熱能力降低。要部署工業(yè)以太網(wǎng)，需要在高達(dá) 105°C 的高環(huán)境溫度下運(yùn)行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)部署在線形和環(huán)形拓?fù)渲小Ｅc星形網(wǎng)絡(luò)相比，這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錅p少了布線長度，并且在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的情況下具有冗余路徑。連接到線路或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)設(shè)備都需要兩個(gè)以太網(wǎng)端口來沿網(wǎng)絡(luò)傳遞以太網(wǎng)幀。在這些用例中，以太網(wǎng) PHY 功耗變得更加關(guān)鍵，因?yàn)槊總€(gè)連接的設(shè)備有兩個(gè) PHY。千兆位 PHY 功耗對整體功耗有重大影響，低功耗的 PHY 可為設(shè)備中的 FPGA/處理器和以太網(wǎng)交換機(jī)提供更多的可用功率預(yù)算。

圖 2. 低功耗工業(yè)以太網(wǎng) PHY 設(shè)備。

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

讓我們看一下圖 2 中的示例，其中我們有一個(gè)功耗預(yù)算為 2.5 W 的設(shè)備。它包括一個(gè) FPGA、DDR 存儲器和一個(gè)需要 1.8 W 預(yù)算的以太網(wǎng)交換機(jī)。這僅剩下 700 mW 的可用功率兩個(gè) PHY 的功耗預(yù)算。為滿足器件散熱要求，需要功耗小于 350 mW 的 Gb PHY。目前滿足此功耗目標(biāo)的 PHY 選項(xiàng)有限。

2：EMC/ESD 穩(wěn)健性

在惡劣的工廠條件下，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的電纜長度可能長達(dá) 100 m，生產(chǎn)設(shè)備噪聲會產(chǎn)生高壓瞬變，并且設(shè)備安裝人員和操作員可能會發(fā)生 ESD 事件是司空見慣的。因此，對于工業(yè)以太網(wǎng)的成功部署，強(qiáng)大的物理層技術(shù)至關(guān)重要。

工業(yè)設(shè)備通常需要通過以下 EMC/ESD IEC 和 EN 標(biāo)準(zhǔn)：

IEC 61000-4-5 浪涌

IEC 61000-4-4 電快速瞬變 （EFT）

IEC 61000-4-2 ESD

IEC 61000-4-6 傳導(dǎo)抗擾度

EN 55032 輻射發(fā)射

EN 55032 傳導(dǎo)發(fā)射

與這些標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品認(rèn)證相關(guān)的成本很高，如果需要設(shè)計(jì)迭代來滿足這些標(biāo)準(zhǔn)中的任何一個(gè)，新產(chǎn)品的推出通常會被推遲。通過使用已經(jīng)過 IEC 和 EN 標(biāo)準(zhǔn)測試的 PHY 設(shè)備，可以顯著降低新產(chǎn)品開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

3：以太網(wǎng) PHY 延遲

對于需要實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用（如圖 1 所示），運(yùn)動的精確控制至關(guān)重要，PHY 延遲是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)規(guī)范，因?yàn)樗钦麄€(gè)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間的關(guān)鍵部分。網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間是控制器收集和更新所有設(shè)備數(shù)據(jù)所需的通信時(shí)間。較低的網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間允許在時(shí)間關(guān)鍵型通信中獲得更高的應(yīng)用程序性能。低延遲以太網(wǎng) PHY 有助于實(shí)現(xiàn)最小的網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間，并允許將更多設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。

由于線路和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)需要兩個(gè)以太網(wǎng)端口將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸?shù)较乱粋€(gè)設(shè)備，以太網(wǎng) PHY 延遲的影響是每個(gè)設(shè)備兩個(gè)端口（數(shù)據(jù)輸入端口/數(shù)據(jù)輸出端口）的兩倍，請參見圖 3。25% 的 PHY 延遲減少 32 個(gè)設(shè)備（64 個(gè) PHY）的網(wǎng)絡(luò) 減少工業(yè)以太網(wǎng) PHY 延遲對可連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的性能（周期時(shí)間）的影響是顯著的。

4：以太網(wǎng) PHY 數(shù)據(jù)速率可擴(kuò)展性

擁有支持不同數(shù)據(jù)速率的工業(yè)以太網(wǎng) PHY 設(shè)備也很重要：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、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(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)/邊緣設(shè)備連接，在 IEEE 802.3cg/10BASE-T1L 下完成了一個(gè)新的物理層標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將在 10 Mb 帶寬的單根雙絞線電纜上實(shí)現(xiàn)低功耗以太網(wǎng) PHY 技術(shù)，最遠(yuǎn)距離為 1 km，并且可用于過程控制中的本質(zhì)安全應(yīng)用。有關(guān)過程控制以太網(wǎng)連接以及從 PLC 到終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行器和現(xiàn)場儀器的可擴(kuò)展以太網(wǎng) PHY 數(shù)據(jù)速率的需求。

5：解決方案大小

隨著以太網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣擴(kuò)散，連接節(jié)點(diǎn)的大小變得越來越小。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(yīng)用開發(fā)的小封裝 PHY。事實(shí)證明，具有 0.5 mm 引線間距的 LFCSP/QFN 封裝堅(jiān)固耐用，不需要昂貴的 PCB 制造流程，并且具有下面的裸露焊盤的優(yōu)勢，可增加高環(huán)境溫度運(yùn)行時(shí)的功耗。

6：產(chǎn)品壽命

產(chǎn)品生命周期可用性是工業(yè)設(shè)備制造商關(guān)心的問題，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)備通常在該領(lǐng)域保持活躍超過 15 年。這意味著產(chǎn)品過時(shí)是一項(xiàng)非常昂貴且耗時(shí)的產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)活動。工業(yè)以太網(wǎng) PHY 設(shè)備必須具有較長的產(chǎn)品使用壽命，而消費(fèi)、大眾市場以太網(wǎng) PHY 的供應(yīng)商通常不支持這一點(diǎn)。

穩(wěn)健工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的工業(yè)以太網(wǎng) PHY 要求總結(jié)

表 1. 消費(fèi)者與工業(yè)以太網(wǎng) PHY 要求

表 2. ADIN1200 和 ADIN1300 特性

表 3. ADIN1300 穩(wěn)健的工業(yè)以太網(wǎng) Gb PHY EMC/ESD 穩(wěn)健性測試

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分類：

A級

沒有鏈接丟棄。

不超過兩個(gè)連續(xù)丟失或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。*

系統(tǒng)必須正常運(yùn)行，在壓力后沒有錯(cuò)誤且無需用戶干預(yù)。

B類

沒有鏈接丟棄。

允許丟失和錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。

系統(tǒng)必須正常運(yùn)行，在壓力后沒有錯(cuò)誤且無需用戶干預(yù)。

C級 C

測試期間鏈接斷開和/或系統(tǒng)需要用戶干預(yù)。例如，在壓力測試后重置或重啟以恢復(fù)正常操作。

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。

工業(yè)以太網(wǎng) PHY 技術(shù)

為滿足工業(yè)設(shè)計(jì)人員的需求，半導(dǎo)體公司開發(fā)了工業(yè)以太網(wǎng) PHY，旨在在高達(dá) 105°C 的擴(kuò)展環(huán)境溫度范圍內(nèi)的惡劣工業(yè)條件下可靠運(yùn)行，并確保為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的新產(chǎn)品具有較長的產(chǎn)品壽命。例如，ADI 公司的ADIN1300和ADIN1200專門針對工業(yè)應(yīng)用的挑戰(zhàn)而開發(fā)，包括：

增強(qiáng)的鏈路丟失檢測，可在 《10 μs 內(nèi)檢測到鏈路丟失

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

開始檢測 IEEE 1588 時(shí)間戳的數(shù)據(jù)包

需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)

MDI 引腳上增強(qiáng)的 ESD 保護(hù)

RJ-45 連接器的 ESD 穩(wěn)健性

PHY 上電時(shí)間，《15 ms

從電源良好到管理接口/寄存器可用的時(shí)間

片上電源監(jiān)視器

上電時(shí)提高系統(tǒng)級穩(wěn)健性

有關(guān) ADIN1200 和 ADIN1300 工業(yè)以太網(wǎng) PHY 特性的總結(jié)，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，已針對 EMC 和 ESD 穩(wěn)健性進(jìn)行了廣泛測試，并支持高達(dá) 105°C 的擴(kuò)展環(huán)境溫度運(yùn)行。ADIN1300 PHY 已根據(jù) EMC/ESD 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，如表 3 所示。通過使用已根據(jù) IEC 和 EN 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行廣泛測試的以太網(wǎng) PHY 技術(shù)，可以顯著降低與產(chǎn)品合規(guī)性測試和認(rèn)證相關(guān)的成本和時(shí)間。

圖 5. ADIN1200 和 fido5200 用于多協(xié)議、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備連接。

圖 6. ADIN1300 和 ADIN1200 客戶評估板和軟件 GUI。

ADIN1200 低功耗、10 Mbps/100 Mbps、穩(wěn)健的工業(yè)以太網(wǎng) PHY 已針對 EMC 和 ESD 穩(wěn)健性進(jìn)行了廣泛測試，并支持高達(dá) 105°C 的擴(kuò)展環(huán)境溫度運(yùn)行。帶有 fido5200 的 ADIN1200 可為多協(xié)議實(shí)時(shí)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，以實(shí)現(xiàn)嵌入式雙端口設(shè)備連接，如圖 5 所示。

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(guān)詳細(xì)信息，請參閱 Beckhoff 的應(yīng)用筆記—PHY 選擇指南。

客戶支持

ADIN1300 和 ADIN1200 均提供客戶評估板，以及用于快速評估的軟件 GUI。有關(guān)應(yīng)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(yīng)用板和軟件 GUI。

概括

為了實(shí)現(xiàn) IT 和 OT 網(wǎng)絡(luò)的無縫連接并釋放工業(yè) 4.0 的價(jià)值，專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型物理層技術(shù)是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)選擇。解決電源、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)的穩(wěn)健工業(yè)以太網(wǎng) PHY 技術(shù)是互聯(lián)工廠的基礎(chǔ)。

審核編輯：郭婷