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
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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。
工業(yè)應用為什么要采用以太網(wǎng)？
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。當今的網(wǎng)絡(luò)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(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(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標準帶來的互操作性優(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(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，伺服電機驅(qū)動器也需要更快的響應時間和更高的驅(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軸更緊密地同步。實時100 Mb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(luò)主機和從機之間的數(shù)據(jù)通信。
網(wǎng)絡(luò)需要支持跨網(wǎng)絡(luò)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(luò)(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(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)。
圖1.通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的互聯(lián)移動應用。
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IEEE 802.3標準定義。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(zhì)進行通信，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)，將集成至主機處理器或以太網(wǎng)交換機中。例如，fido 5100 和fido 5200 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(shè)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(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)形拓撲進行部署。與星形網(wǎng)絡(luò)相比，這些網(wǎng)絡(luò)拓撲減少了布線長度，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)交換機提供更多的可用功耗預算。
我們來看圖2中的示例，設(shè)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(shè)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(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。
圖3.工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)PHY延遲。
工業(yè)設(shè)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(guān)成本比較高，如果需要進行設(shè)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(shè)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(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。
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(shè)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。現(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(shù)，并且可用于過程控制中的本質(zhì)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(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(shè)備制造商關(guān)心的一個問題，因為其設(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
PHY 主要特性 | 消費電子以太網(wǎng) PHY | 工業(yè)以太網(wǎng) PHY | 優(yōu)勢 |
工作溫度 | 0°C至70°C | -40°C至+105°C | 在惡劣的工業(yè) 應用環(huán)境 中可靠運行 |
Gb PHY 延遲 (RGMII) | >400 ns | <300 ns | 減少了 網(wǎng)絡(luò)周期 時間 |
Gb PHY 功率 | >500 mW | <350 mW | IP66/IP67產(chǎn)品， 不含風扇或散熱器 |
EMC/ESD 穩(wěn)健性 | 不需要 | 浪涌、EFT、ESD、 射頻電磁場輻射抗擾度、 射頻場感應的傳導抗擾度、 電磁輻射騷擾、傳導輻射 | 減少產(chǎn)品 開發(fā)和認證時間和 成本，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠 |
封裝尺寸 | 48引腳、 7 mm × 7 mm | 40引腳、 6 mm × 6 mm | 產(chǎn)品尺寸更小 |
產(chǎn)品壽命 | 短路 | 20至25年 | 產(chǎn)品使用壽命長 |
表2. ADIN1200和ADIN1300特性
產(chǎn)品型號 |
數(shù)據(jù)速率(Mbps) | MAC接口 | IO電壓 (V) | 電纜 長度 (m) | 斷路 檢測 (μs) | 延遲 (ns)
| 功耗(mW) | 溫度范圍 | 封裝 |
ADIN1200 | 10/100 | MII/RMII/RGMII | 1.8/2.5/3.3 | 180 | <10 | 300 (MII) | 139 | -40°C至+105°C | 32-LFCSP (5 mm × 5 mm) |
ADIN1300 | 10/100/1000 | MII/RMII/RGMII | 1.8/2.5/3.3 | 150 | <10 | 294 (RGMII) | 330 | -40°C至+105°C | 40-LFCSP (6 mm × 6 mm) |
表3. ADIN1300穩(wěn)健型工業(yè)以太網(wǎng)Gb PHY EMC/ESD穩(wěn)健性測試
測試/標準方法 | 相關(guān)標準限制 | 性能評估 |
CISPR 32 電磁輻射騷擾 （3米遠） | 30 MHz至230 MHz QP 50 dBμV/m 230 MHz至1 GHz QP 57 dBμV/m 1 GHz至3 GHz PK 76 dBμV/m， AVE 56 dBμV/m 3 GHz至6 GHz PK 80 dBμV/m， AVE 60 dBμV/m | 符合 工業(yè)A類 環(huán)境限制 |
CISPR 32 傳導輻射
| 0.15 MHz至0.5 MHz：QP：53 dBμA至43 dBμA， AVE：40 dBμA至30 dBμA 0.5 MHz至30 MHz：QP：43 dBμA， AVE：30 dBμA | |
IEC 61000-4-2 ESD | ±4 kV接觸 B類性能 | RJ-45屏蔽線的±6 kV B類性能要求 |
IEC 61000-4-5 浪涌 | ±1 kV接地線， I/O信號/控制， B類性能 | ±4 kV A類性能 |
IEC 61000-4-4 EFT | ±1 kV I/O信號/控制， B類性能 | ±4 kV B類性能 |
IEC 61000-4-6 射頻場感應的 傳導抗擾度 | 3 V， 150 kHz至80 MHz， A類性能 | 在AM和CW兩種工作模式下， 符合10 V A類要求 |
射頻電磁場 輻射抗擾度 IEC 61000-4-3 | 10 V/m（80 MHz至1 GHz，3米）， A類性能。 3 V/m（1.4 GHz至2 GHz，3米）， 1 V/m（2 GHz至2.7 GHz，3米）， 1 V/m（2.7 GHz至6 GHz，3米） | 符合工業(yè)A類環(huán)境限制 （高于1 GHz）。 符合3 V/m A類 （80 Mhz至1 GHz）。 在CW和AM干擾模式下進行了測試。 |
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(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105℃的惡劣工業(yè)條件下可靠運行。公司一直致力于工業(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(luò)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
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10 Mbps/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℃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(shù)，可顯著降低產(chǎn)品合規(guī)性測試和認證的相關(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105℃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(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 應用筆記—PHY選型指南 。
圖6.ADIN1300和ADIN1200客戶評估板和軟件GUI。
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。圖6顯示了應用電路板和軟件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)應用而設(shè)計的增強物理層技術(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℃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)
作者簡介
Maurice O’ Brien是ADI公司工業(yè)連接部門的戰(zhàn)略營銷經(jīng)理。他負責為工業(yè)應用提供工業(yè)以太網(wǎng)連接解決方案支持的策略。在此之前，Maurice在ADI公司的電源管理應用和營銷領(lǐng)域工作了15年。他畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學，獲電子工程學士學位。
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