工業(yè)應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(IT)與操作技術(OT)網(wǎng)絡之間的連接，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設施是互聯(lián)工廠的命脈。當今的網(wǎng)絡面臨著流量負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)議需要使用復雜且耗電的網(wǎng)關來轉換整個工廠的流量。通過向工廠邊緣終端無縫交付關鍵的確定性性能，工業(yè)以太網(wǎng)可解決同一網(wǎng)絡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)境設計的適用以太網(wǎng)物理層(PHY)。長期以來，工業(yè)通信設備的設計人員不得不使用針對大眾市場開發(fā)的消費級標準以太網(wǎng)PHY。在工業(yè)4.0時代，終端節(jié)點的數(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，因此增強的工業(yè)級工業(yè)以太網(wǎng)PHY至關重要。

 

IT與OT以太網(wǎng)連接

 

由于以太網(wǎng)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(yōu)勢。然而，實現(xiàn)IT和OT網(wǎng)絡之間的 連接以及基于以太網(wǎng)技術的無縫連接面臨著一個關鍵挑戰(zhàn)，那就是如何在要求時限連接的惡劣工業(yè)環(huán)境下進行部署。

 

工業(yè)以太網(wǎng)應用和以太網(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)移動應用。多軸同步和精密運動控制對于在智能工廠中實現(xiàn)高質量生產(chǎn)和加工至關重要。隨著對生產(chǎn)能力和輸出質量的要求越來越高，伺 服電機驅動器也需要更快的響應時間和更高的驅動精度。系統(tǒng)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(wǎng)廣泛用于當今的運動控制系統(tǒng)。但是，同步僅涉及網(wǎng)絡主機和從機之間的數(shù)據(jù)通信。

 

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

 

網(wǎng)絡需要支持跨網(wǎng)絡邊界同步到應用，從低于1 μs的時間到伺服電機控制內(nèi)的PWM輸出。這提高了多軸應用的加工和生產(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(TSN)的機器人和數(shù)控機床。利用實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，所有設備均可連接到一個高帶寬聚合網(wǎng)絡，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。較長的電纜敷設路徑周圍存在來自電機和生產(chǎn)設備的高壓瞬變，從而可能會損壞數(shù)據(jù)和設備。為成功部署工業(yè)以太網(wǎng)（如圖1所示），需要一種增強型以太網(wǎng)PHY技術，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標準定義。物理層指 定電信號類型、信號速度、介質和網(wǎng)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(wǎng)物理層部分。

 

數(shù)據(jù)鏈路層指定如何通過介質進行通信，以及傳輸和接收消息的幀結構。這僅僅意味著位如何從電線上分離出來并進入位排列，以便從位流中提取數(shù)據(jù)。對于以太網(wǎng)，這稱為介質訪問控制 (MAC)，將集成至主機處理器或以太網(wǎng)交換機中。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，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：功耗和較高的環(huán)境溫度

 

工業(yè)應用中的以太網(wǎng)互聯(lián)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、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 質直接接觸8小時后，無有害的灰塵或污物滲入設備中。隨后是防水等級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分鐘。

 

使用這些密封外殼后，由于外殼的導熱能力下降，以太網(wǎng)PHY設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105且功耗極低的以太網(wǎng)PHY 設備。

 

典型的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡采用線性和環(huán)形拓撲進行部署。與星形網(wǎng)絡相比，這些網(wǎng)絡拓撲減少了布線長度，且在環(huán)形網(wǎng)絡中留有冗余路徑。連接至線性或環(huán)形網(wǎng)絡的每個設備都需要兩個以 太網(wǎng)端口，以便沿網(wǎng)絡傳遞以太網(wǎng)幀。在這些用例中，以太網(wǎng)PHY功耗變得更為重要，因為每個互聯(lián)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(wǎng)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(wǎng)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設備。

 

2：EMC/ESD穩(wěn)健性

 

在生產(chǎn)設備噪音會產(chǎn)生高壓瞬變和設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)絡的電纜敷設路徑可能長達100米。因此，穩(wěn)健可靠的物理層技術對于工業(yè)以太網(wǎng)的成功部署至關重要。

 

工業(yè)設備通常需要滿足下述EMC/ESD IEC和EN標準：

 

●  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射頻場感應的傳導抗擾度

●  EN 55032電磁輻射騷擾

●  EN 55032傳導騷擾

 

產(chǎn)品通過這些標準認證的相關成本比較高，如果需要進行設計迭代來滿足其中任何一個標準，那么新產(chǎn)品的推出通常會延遲。使用已經(jīng)通過IEC和EN標準測試的PHY設備可顯著降低新產(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），進行精確的運動控制非常重要，PHY延遲亦會是一個重要的設計規(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 收集和更新所有器件的數(shù)據(jù)所需的通信時間。降低網(wǎng)絡周期時間可在時限通信中實現(xiàn)更高的應用性能。低延遲以太網(wǎng)PHY有助于最大限度地減少網(wǎng)絡周期時間，允許更多器件連接到網(wǎng)絡。

 

由于線性和環(huán)形網(wǎng)絡需要兩個以太網(wǎng)端口將數(shù)據(jù)從一個設備傳輸至下一個設備，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臺設備的網(wǎng)絡(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)點數(shù)量和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡性能（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

 

采用支持不同數(shù)據(jù)速率的工業(yè)以太網(wǎng)PHY設備亦非常重要：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/邊緣節(jié)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(wǎng)PHY技術，并且可用于過程控制中的本質安全應用。參見圖4，了解過程控制以太網(wǎng)連接和可擴展以太網(wǎng)PHY數(shù)據(jù)速率（從PLC到終端節(jié)點執(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。

 

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，互聯(lián)節(jié)點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)設備制造商關心的一個問題，因為其設備通?？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設備必 須具有較長的產(chǎn)品壽命，而消費電子、大眾市場、以太網(wǎng)PHY供應商通常不支持這種產(chǎn)品。

 

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

 

表1. 消費電子與工業(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)必須正常運行，且在應力測試后無錯誤，無需用戶干預。

 

●  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)必須正常運行，且在應力測試后無錯誤，無需用戶干預。

 

●  C類

 

    ○ 在測試和/或系統(tǒng)需要用戶干預時，鏈接斷開。例如，在應力測試后重置或重啟以恢復正常運行。

 

*請注意，功能測試軟件無法確定問題包是否是連續(xù)的。

 

新型工業(yè)以太網(wǎng)PHY技術

 

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105°C的惡劣工業(yè)條件下可靠運行。ADI一直致力于工業(yè)終端市場應用，確保為工業(yè)應用開發(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具有如下增強的PHY特性：

 

●  增強的鏈接斷開檢測，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)絡要求實現(xiàn)精確的時序

●  MDI引腳提供增強ESD保護

    ○ 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

 

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105°C的環(huán)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(wǎng)PHY技術，可顯著降低產(chǎn)品合規(guī)性測試和認證的相關成本和時間。

 

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105°C的環(huán)境溫度下運行。帶fido5200的ADIN1200為多協(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，支持Profinet®, EtherNet/IP™、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實現(xiàn)嵌入式雙端口設備連接，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。有關應用板軟件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(xiàn)IT和OT網(wǎng)絡的無縫連接，實現(xiàn)工業(yè)4.0的價值，針對工業(yè)應用而設計的增強物理層技術是一個關鍵的設計選擇。穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY技術可解決功耗、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。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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