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(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(gè)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(jì)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(jì)人員不得不使用針對(duì)大眾市場開發(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，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。

 

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(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。

 

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(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)100Mb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。

 

圖1. 通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的互聯(lián)移動(dòng)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(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(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)。

 

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(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(duì)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A(yù)DI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。

 

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(jí)是指電氣設(shè)備對(duì)水、污垢、灰塵和沙子的耐受力。IP后面的第一個(gè)數(shù)字是IEC分配的防固體等級(jí)。在這里，6意味著與物 質(zhì)直接接觸8小時(shí)后，無有害的灰塵或污物滲入設(shè)備中。隨后是防水等級(jí)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(gè)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(shí)，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(gè)設(shè)備都需要兩個(gè)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?yàn)槊總€(gè)互聯(lián)設(shè)備都有兩個(gè)PHY。千兆PHY功耗對(duì)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(chǔ)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(gè)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(huì)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(duì)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(jì)迭代來滿足其中任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，那么新產(chǎn)品的推出通常會(huì)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(xiǎn)。

 

3：以太網(wǎng)PHY延遲

 

對(duì)于需要實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用（如圖1所示），進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)控制非常重要，PHY延遲亦會(huì)是一個(gè)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 收集和更新所有器件的數(shù)據(jù)所需的通信時(shí)間。降低網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)間可在時(shí)限通信中實(shí)現(xiàn)更高的應(yīng)用性能。低延遲以太網(wǎng)PHY有助于最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)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(gè)以太網(wǎng)端口將數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳輸至下一個(gè)設(shè)備，所以對(duì)于有兩個(gè)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(huì)翻倍，見圖3。在 一個(gè)擁有32臺(tái)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(duì)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(shí)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(dòng)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(jí)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(duì)于終端節(jié)點(diǎn)/邊緣節(jié)點(diǎn)連接，IEEE 802.3cg/10BASE-T1L中有一個(gè)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(shí)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(gè)問題，因?yàn)槠湓O(shè)備通?？稍诂F(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(jì)新產(chǎn)品，這會(huì)帶來高成本，而且非常耗時(shí)。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

 

表1. 消費(fèi)電子與工業(yè)以太網(wǎng)PHY要求

 

表2. ADIN1200和ADIN1300特性

 

表3. ADIN1300穩(wěn)健型工業(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類

 

    ○ 鏈接不會(huì)斷開。

    ○ 連續(xù)丟失或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包不會(huì)超過兩個(gè)。*

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

 

●  B類

 

    ○ 鏈接不會(huì)斷開

    ○ 允許數(shù)據(jù)包丟失和出現(xiàn)錯(cuò)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(cuò)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(shí)，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(qǐng)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。ADI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(duì)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(shí)時(shí)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(shí)間戳

    ○ 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)要求實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)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(dòng)時(shí)間：< 15 ms

    ○ 從電源狀態(tài)良好到管理接口/寄存器可用的時(shí)間

●  片內(nèi)電源監(jiān)視器

    ○ 提高了上電時(shí)的系統(tǒng)穩(wěn)定性

 

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(shí)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(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備連接提供系統(tǒng) 級(jí)解決方案，支持Profinet®, EtherNet/IP™、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實(shí)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(shí)時(shí)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(qǐng)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(píng)估板，以及用于加快評(píng)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(píng)估板和軟件GUI。

 

總結(jié)

 

為實(shí)現(xiàn)IT和OT網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的價(jià)值，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的增強(qiáng)物理層技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)互聯(lián)工廠的基礎(chǔ)。為解決本文所述挑戰(zhàn)，ADI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)。

 

 

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