工業應用為什麼要采用以太網？

 

越來越多的工業係統采用以太網連接來解決製造商麵臨的工業4.0和智能工廠通信關鍵挑戰
，包括數據集成、同步
、終端連接和係統互操作性挑戰。以太網互聯工廠通過實現信息技術(IT)與操作技術(OT)網絡之間的連接

，可提高生產率


，同時提高生產的靈活性和可擴展性。這樣
，使用一個支持時限通信的無縫
、安全的高帶寬網絡便可監控工廠的所有區域。

 

規(gui)模(mo)計(ji)算(suan)和(he)可(ke)靠(kao)的(de)通(tong)信(xin)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)是(shi)互(hu)聯(lian)工(gong)廠(chang)的(de)命(ming)脈(mai)。當(dang)今(jin)的(de)網(wang)絡(luo)麵(mian)臨(lin)著(zhe)流(liu)量(liang)負(fu)載(zai)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)以(yi)及(ji)眾(zhong)多(duo)協(xie)議(yi)之(zhi)間(jian)互(hu)操(cao)作(zuo)性(xing)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，這(zhe)些(xie)協(xie)議(yi)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)複(fu)雜(za)且(qie)耗(hao)電(dian)的(de)網(wang)關(guan)來(lai)轉(zhuan)換(huan)整(zheng)個(ge)工(gong)廠(chang)的(de)流(liu)量(liang)。通(tong)過(guo)向(xiang)工(gong)廠(chang)邊(bian)緣(yuan)終(zhong)端(duan)無(wu)縫(feng)交(jiao)付(fu)關(guan)鍵(jian)的(de)確(que)定(ding)性(xing)性(xing)能(neng)，工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)可(ke)解(jie)決(jue)同(tong)一(yi)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)這(zhe)些(xie)互(hu)操(cao)作(zuo)性(xing)問(wen)題(ti)。過(guo)去(qu)一(yi)直(zhi)缺(que)乏(fa)專(zhuan)為(wei)可(ke)靠(kao)的(de)工(gong)業(ye)環(huan)境(jing)設(she)計(ji)的(de)適(shi)用(yong)以(yi)太(tai)網(wang)物(wu)理(li)層(ceng)(PHY)。長期以來，工業通信設備的設計人員不得不使用針對大眾市場開發的消費級標準以太網PHY。在工業4.0時代
，終端節點的數量正在加速增長，確定性對於實現互聯工廠極其重要
，因此增強的工業級工業以太網PHY至關重要。

 

IT與OT以太網連接

 

由於以太網是受到廣泛支持的
、可擴展、靈活的高帶寬通信解決方案，所以一直以來都是IT領域的通信之選。此外，它還具有IEEE標準帶來的互操作性優勢。然而，實現IT和OT網絡之間的 連接以及基於以太網技術的無縫連接麵臨著一個關鍵挑戰，那就是如何在要求時限連接的惡劣工業環境下進行部署。

 

工業以太網應用和以太網部署挑戰

 

圖1顯(xian)示(shi)了(le)智(zhi)能(neng)工(gong)廠(chang)中(zhong)基(ji)於(yu)工(gong)業(ye)以(yi)太(tai)網(wang)連(lian)接(jie)的(de)互(hu)聯(lian)移(yi)動(dong)應(ying)用(yong)。多(duo)軸(zhou)同(tong)步(bu)和(he)精(jing)密(mi)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)對(dui)於(yu)在(zai)智(zhi)能(neng)工(gong)廠(chang)中(zhong)實(shi)現(xian)高(gao)質(zhi)量(liang)生(sheng)產(chan)和(he)加(jia)工(gong)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。隨(sui)著(zhe)對(dui)生(sheng)產(chan)能(neng)力(li)和(he)輸(shu)出(chu)質(zhi)量(liang)的(de)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)，伺(si) 服電機驅動器也需要更快的響應時間和更高的驅動精度。係統性能提高要求終端設備中使用的伺服電機軸更緊密地同步。實時100Mb以太網廣泛用於當今的運動控製係統。但是，同步僅涉及網絡主機和從機之間的數據通信。

 

圖1. 通過工業以太網實現的互聯移動應用。

 

網絡需要支持跨網絡邊界同步到應用，從低於1 μs的時間到伺服電機控製內的PWM輸出。這提高了多軸應用的加工和生產精度，如采用更高數據速率的千兆工業以太網和IEEE 802.1時間敏感網絡(TSN)的機器人和數控機床。利用實時工業以太網協議，所有設備均可連接到一個高帶寬聚合網絡，以實現邊緣到雲連接。

 

在zai工gong業ye環huan境jing中zhong，部bu署shu以yi太tai網wang的de網wang絡luo安an裝zhuang人ren員yuan麵mian臨lin的de主zhu要yao挑tiao戰zhan就jiu是shi穩wen健jian性xing和he較jiao高gao的de環huan境jing溫wen度du。較jiao長chang的de電dian纜lan敷fu設she路lu徑jing周zhou圍wei存cun在zai來lai自zi電dian機ji和he生sheng產chan設she備bei的de高gao壓ya瞬shun變bian
，從cong而er可ke能neng會hui損sun壞huai數shu據ju和he設she備bei。為wei成cheng功gong部bu署shu工gong業ye以yi太tai網wang（如圖1所示）
，需要一種增強型以太網PHY技術
，要求性能穩定可靠，低功耗
、低延遲，采用小型封裝，並且可以在嘈雜的高溫環境下工作。本文將討論在互聯工廠中部署以太網PHY解決方案所麵臨的挑戰。

 

何為工業以太網物理層？

 

工業以太網PHY是一種物理層收發器器件，根據OSI網絡模式收發以太網幀。在OSI模式中
，以太網覆蓋第1層（物理層）和第2層（數據鏈路層）的一部分
，並由IEEE802.3標準定義。物理層指 定電信號類型、信號速度

、介質和網絡拓撲。它實施1000BASE-T(1000 Mbps)
、100BASE-TX（100 Mbps

，銅纜）和10BASE-T (10 Mb)標準的以太網物理層部分。

 

數(shu)據(ju)鏈(lian)路(lu)層(ceng)指(zhi)定(ding)如(ru)何(he)通(tong)過(guo)介(jie)質(zhi)進(jin)行(xing)通(tong)信(xin)，以(yi)及(ji)傳(chuan)輸(shu)和(he)接(jie)收(shou)消(xiao)息(xi)的(de)幀(zhen)結(jie)構(gou)。這(zhe)僅(jin)僅(jin)意(yi)味(wei)著(zhe)位(wei)如(ru)何(he)從(cong)電(dian)線(xian)上(shang)分(fen)離(li)出(chu)來(lai)並(bing)進(jin)入(ru)位(wei)排(pai)列(lie)，以(yi)便(bian)從(cong)位(wei)流(liu)中(zhong)提(ti)取(qu)數(shu)據(ju)。對(dui)於(yu)以(yi)太(tai)網(wang)，這(zhe)稱(cheng)為(wei)介(jie)質(zhi)訪(fang)問(wen)控(kong)製(zhi) (MAC)，將集成至主機處理器或以太網交換機中。例如
，fido5100和fido5200這兩款ADI嵌入式、雙端口工業以太網嵌入式交換機，用於支持多協議、實時工業以太網設備連接的第2層連接。

 

工業應用的以太網物理層要求

 

1：功耗和較高的環境溫度

 

工業應用中的以太網互聯設備通常封裝在IP66/IP67密封外殼中。IP等級是指電氣設備對水、汙垢、灰塵和沙子的耐受力。IP後麵的第一個數字是IEC分配的防固體等級。在這裏，6意味著與物 質直接接觸8小時後，無有害的灰塵或汙物滲入設備中。隨後是防水等級6和7。6意味著可在強大的噴射流中防止水滲入，而7意味著設備可浸入1米深的淡水中30分鍾。

 

使用這些密封外殼後，由於外殼的導熱能力下降，以太網PHY設備麵臨的兩個主要挑戰就是功耗和較高的環境溫度。部署工業以太網時，需要使用工作溫度高達105且功耗極低的以太網PHY 設備。

 

dianxingdegongyeyitaiwangwangluocaiyongxianxinghehuanxingtuopujinxingbushu。yuxingxingwangluoxiangbi
，zhexiewangluotuopujianshaolebuxianchangdu，qiezaihuanxingwangluozhongliuyourongyulujing。lianjiezhixianxinghuohuanxingwangluodemeigeshebeidouxuyaolianggeyi 太網端口，以便沿網絡傳遞以太網幀。在這些用例中


，以太網PHY功耗變得更為重要，因為每個互聯設備都有兩個PHY。千兆PHY功耗對總功耗有重大影響
，而低功耗PHY可以為設備中的FPGA/處理器和以太網交換機提供更多的可用功耗預算。

 

我們來看圖2中的示例
，設備的功耗預算為2.5 W
，包括FPGA、DDR存儲器和需要1.8 W功耗預算的以太網交換機。這樣，兩個PHY的可用功耗預算僅剩下700 mW。為滿足設備的散熱要求，需使用功耗<350 mW的Gb PHY。當今市場上隻有少數PHY滿足這一功耗要求。

 

圖2. 低功耗工業以太網PHY設備。

 

2：EMC/ESD穩健性

 

zaishengchanshebeizaoyinhuichanshenggaoyashunbianheshebeianzhuangrenyuanhecaozuorenyuankenengdailaijingdianfangdianshijiandeeliegongchangtiaojianxia，gongyewangluodedianlanfushelujingkenengchangda100米。因此，穩健可靠的物理層技術對於工業以太網的成功部署至關重要。

 

工業設備通常需要滿足下述EMC/ESD IEC和EN標準：

 

●  IEC 61000-4-5浪湧

●  IEC 61000-4-4電快速瞬變脈衝群(EFT)

●  IEC 61000-4-2 ESD

●  IEC 61000-4-6射頻場感應的傳導抗擾度

●  EN 55032電磁輻射騷擾

●  EN 55032傳導騷擾

 

產(chan)品(pin)通(tong)過(guo)這(zhe)些(xie)標(biao)準(zhun)認(ren)證(zheng)的(de)相(xiang)關(guan)成(cheng)本(ben)比(bi)較(jiao)高(gao)
，如(ru)果(guo)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)迭(die)代(dai)來(lai)滿(man)足(zu)其(qi)中(zhong)任(ren)何(he)一(yi)個(ge)標(biao)準(zhun)

，那(na)麼(me)新(xin)產(chan)品(pin)的(de)推(tui)出(chu)通(tong)常(chang)會(hui)延(yan)遲(chi)。使(shi)用(yong)已(yi)經(jing)通(tong)過(guo)IEC和EN標準測試的PHY設備可顯著降低新產品 開發成本和風險。

 

3：以太網PHY延遲

 

對於需要實時通信的應用（如圖1所示），進行精確的運動控製非常重要
，PHY延遲亦會是一個重要的設計規範，因為它是整個工業以太網網絡周期時間的關鍵部分。網絡周期時間是控製器 收集和更新所有器件的數據所需的通信時間。降低網絡周期時間可在時限通信中實現更高的應用性能。低延遲以太網PHY有助於最大限度地減少網絡周期時間，允許更多器件連接到網絡。

 

由於線性和環形網絡需要兩個以太網端口將數據從一個設備傳輸至下一個設備，所以對於有兩個端口（數據輸入端口/數據輸出端口）的設備
，以太網PHY延遲的影響也會翻倍，見圖3。在 一個擁有32台設備的網絡(64 PHY)中，如果PHY延遲降低25%，那麼這一工業以太網PHY延遲的降低將對可連接的節點數量和工業以太網網絡性能（周期時間）產生顯著的影響。

 

圖3. 工業以太網網絡中的以太網PHY延遲。

 

4：以太網PHY數據速率可擴展性

 

采用支持不同數據速率的工業以太網PHY設備亦非常重要：10 Mb
、100 Mb和1 Gb。PLC和運動控製器之間的連接需要高帶寬的千兆(1000BASE-T) TSN以太網連接。現場級連接采用在100 Mb (100BASE-TX)PHY中運行工業以太網協議的以太網連接。對於終端節點/邊緣節點連接，IEEE 802.3cg/10BASE-T1L中有一個新的物理層標準，支持在長達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PHY技術
，並且可用於過程控製中的本質安全應用。參見圖4
，了解過程控製以太網連接和可擴展以太網PHY數據速率（從PLC到終端節點執行器和現場儀器儀表）的需求。

 

圖4. 過程控製，無縫雲端連接技術。

 

5：解決方案尺寸

 

隨著以太網技術向工業網絡邊緣擴散，互聯節點的尺寸變得越來越小。以太網互聯傳感器/執行器的產品尺寸可以非常小

，因此需要將PHY置於專為工業應用開發的小封裝內。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製造流程
，而且底部裸露焊盤可用於較高的環境溫度條件下
，從而增加了功耗。

 

6：產品耐久性

 

產品壽命是工業設備製造商關心的一個問題
，因為其設備通常可在現場使用15年以上。所以產品停產意味著需要重新設計新產品，這會帶來高成本
，而且非常耗時。工業以太網PHY設備必 須具有較長的產品壽命，而消費電子
、大眾市場
、以太網PHY供應商通常不支持這種產品。

 

➤適合可靠的工業以太網應用的工業以太網PHY要求概覽

 

表1. 消費電子與工業以太網PHY要求

 

表2. ADIN1200和ADIN1300特性

 

表3. ADIN1300穩健型工業以太網Gb PHY EMC/ESD穩健性測試

 

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分類：

 

●  A類

 

    ○ 鏈接不會斷開。

    ○ 連續丟失或錯誤的數據包不會超過兩個。*

    ○ 係統必須正常運行，且在應力測試後無錯誤
，無需用戶幹預。

 

●  B類

 

    ○ 鏈接不會斷開

    ○ 允許數據包丟失和出現錯誤的數據包。

    ○ 係統必須正常運行，且在應力測試後無錯誤，無需用戶幹預。

 

●  C類

 

    ○ 在測試和/或係統需要用戶幹預時，鏈接斷開。例如
，在應力測試後重置或重啟以恢複正常運行。

 

*請注意，功能測試軟件無法確定問題包是否是連續的。

 

新型工業以太網PHY技術

 

ADI最近發布了兩款全新的工業以太網PHY，可在環境溫度高達105°C的惡劣工業條件下可靠運行。ADI一直致力於工業終端市場應用，確保為工業應用開發生產壽命較長的新產品。針 對本文所述挑戰而專門開發的ADIN1300和ADIN1200具有如下增強的PHY特性：

 

●  增強的鏈接斷開檢測，可在10 µs內檢測到鏈接斷開

    ○ 實時工業以太網協議要求（如EtherCAT®)

●  數據包起始檢測支持IEEE 1588時間戳

    ○ 整個網絡要求實現精確的時序

●  MDI引腳提供增強ESD保護

    ○ RJ-45接頭具有ESD穩健性

●  PHY啟動時間：< 15 ms

    ○ 從電源狀態良好到管理接口/寄存器可用的時間

●  片內電源監視器

    ○ 提高了上電時的係統穩定性

 

ADIN1300是業界具有出色的功耗、延遲和封裝尺寸特性的10Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工業以太網PHY
，其EMC和ESD穩健性已經過廣泛測試，可在高達105°C的環境溫度下運行。ADIN1300 PHY已通過EMC/ESD標準測試
，如表3所示。通過使用已通過IEC和EN標準廣泛測試的以太網PHY技術，可顯著降低產品合規性測試和認證的相關成本和時間。

 

ADIN1200低功耗10 Mbps/100 Mbps穩健型工業以太網PHY已經過廣泛的EMC和ESD穩健性測試，可在高達105°C的環境溫度下運行。帶fido5200的ADIN1200為多協議、實時工業以太網設備連接提供係統 級解決方案，支持Profinet®, EtherNet/IP™
、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實現嵌入式雙端口設備連接
，如圖5所示。

 

圖5. 帶有fido5200的ADIN1200，用於實時多協議工業以太網器件連接。

 

➤支持Beckhoff EtherCAT和EtherCAT G工業以太網協議

 

ADIN1200 PHY滿足EtherCAT工業以太網協議的所有要求，並包含在EtherCAT PHY選型指南中。ADIN1300 PHY滿足EtherCAT G工業以太網協議的所有要求，並包含在EtherCAT G PHY選型指南中。更多詳情，請參見Beckhoff的應用筆記——PHY選型指南。

 

客戶支持

 

提供用於ADIN1300和ADIN1200的客戶評估板
，以及用於加快評估的軟件GUI。有關應用板軟件GUI功能的視頻教程，參見analog.com 的ADIN1300和ADIN1200產品頁麵。圖6顯示了應用電路板和軟件GUI。

 

圖6. ADIN1300和ADIN1200客戶評估板和軟件GUI。

 

總結

 

為實現IT和OT網絡的無縫連接，實現工業4.0的價值
，針對工業應用而設計的增強物理層技術是一個關鍵的設計選擇。穩健型工業以太網PHY技術可解決功耗、延遲、解決方案尺寸、105°C環 境溫度、穩健性(EMC/ESD)和較長產品壽命問題，是實現互聯工廠的基礎。為解決本文所述挑戰，ADI近期推出了兩款全新的穩健型工業以太網PHY
，即ADIN1300(10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps)和ADIN1200(10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps)。

 

 

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