工業(yè)應用為什么要采用以太網(wǎng)？

 

越來(lái)越多的工業(yè)系統采用以太網(wǎng)連接來(lái)解決制造商面臨的工業(yè)4.0和智能工廠(chǎng)通信關(guān)鍵挑戰，包括數據集成、同步、終端連接和系統互操作性挑戰。以太網(wǎng)互聯(lián)工廠(chǎng)通過(guò)實(shí)現信息技術(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)的靈活性和可擴展性。這樣，使用一個(gè)支持時(shí)限通信的無(wú)縫、安全的高帶寬網(wǎng)絡(luò )便可監控工廠(chǎng)的所有區域。

 

規模計算和可靠的通信基礎設施是互聯(lián)工廠(chǎng)的命脈。當今的網(wǎng)絡(luò )面臨著(zhù)流量負載不斷增長(cháng)以及眾多協(xié)議之間互操作性的挑戰，這些協(xié)議需要使用復雜且耗電的網(wǎng)關(guān)來(lái)轉換整個(gè)工廠(chǎng)的流量。通過(guò)向工廠(chǎng)邊緣終端無(wú)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(wèn)題。過(guò)去一直缺乏專(zhuān)為可靠的工業(yè)環(huán)境設計的適用以太網(wǎng)物理層(PHY)。長(cháng)期以來(lái)，工業(yè)通信設備的設計人員不得不使用針對大眾市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的消費級標準以太網(wǎng)PHY。在工業(yè)4.0時(shí)代，終端節點(diǎn)的數量正在加速增長(cháng)，確定性對于實(shí)現互聯(lián)工廠(chǎng)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(lái)都是IT領(lǐng)域的通信之選。此外，它還具有IEEE標準帶來(lái)的互操作性?xún)?yōu)勢。然而，實(shí)現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(wú)縫連接面臨著(zhù)一個(gè)關(guān)鍵挑戰，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)應用和以太網(wǎng)部署挑戰

 

圖1顯示了智能工廠(chǎng)中基于工業(yè)以太網(wǎng)連接的互聯(lián)移動(dòng)應用。多軸同步和精密運動(dòng)控制對于在智能工廠(chǎng)中實(shí)現高質(zhì)量生產(chǎn)和加工至關(guān)重要。隨著(zhù)對生產(chǎn)能力和輸出質(zhì)量的要求越來(lái)越高，伺 服電機驅動(dòng)器也需要更快的響應時(shí)間和更高的驅動(dòng)精度。系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(shí)時(shí)100Mb以太網(wǎng)廣泛用于當今的運動(dòng)控制系統。但是，同步僅涉及網(wǎng)絡(luò )主機和從機之間的數據通信。

 

圖1. 通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現的互聯(lián)移動(dòng)應用。

 

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(shí)間到伺服電機控制內的PWM輸出。這提高了多軸應用的加工和生產(chǎn)精度，如采用更高數據速率的千兆工業(yè)以太網(wǎng)和IEEE 802.1時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )(TSN)的機器人和數控機床。利用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，所有設備均可連接到一個(gè)高帶寬聚合網(wǎng)絡(luò )，以實(shí)現邊緣到云連接。

 

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就是穩健性和較高的環(huán)境溫度。較長(cháng)的電纜敷設路徑周?chē)嬖趤?lái)自電機和生產(chǎn)設備的高壓瞬變，從而可能會(huì )損壞數據和設備。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(shù)，要求性能穩定可靠，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(chǎng)中部署以太網(wǎng)PHY解決方案所面臨的挑戰。

 

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（數據鏈路層）的一部分，并由IEEE802.3標準定義。物理層指 定電信號類(lèi)型、信號速度、介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò )拓撲。它實(shí)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。

 

數據鏈路層指定如何通過(guò)介質(zhì)進(jìn)行通信，以及傳輸和接收消息的幀結構。這僅僅意味著(zhù)位如何從電線(xiàn)上分離出來(lái)并進(jìn)入位排列，以便從位流中提取數據。對于以太網(wǎng)，這稱(chēng)為介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)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(shí)時(shí)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(gè)數字是IEC分配的防固體等級。在這里，6意味著(zhù)與物 質(zhì)直接接觸8小時(shí)后，無(wú)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(zhù)可在強大的噴射流中防止水滲入，而7意味著(zhù)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(gè)主要挑戰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(luò )采用線(xiàn)性和環(huán)形拓撲進(jìn)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(xiàn)長(cháng)度，且在環(huán)形網(wǎng)絡(luò )中留有冗余路徑。連接至線(xiàn)性或環(huán)形網(wǎng)絡(luò )的每個(gè)設備都需要兩個(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，因為每個(gè)互聯(lián)設備都有兩個(gè)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(lái)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(gè)PHY的可用功耗預算僅剩下700 mW。為滿(mǎn)足設備的散熱要求，需使用功耗<350 mW的Gb PHY。當今市場(chǎng)上只有少數PHY滿(mǎn)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穩健性

 

在生產(chǎn)設備噪音會(huì )產(chǎn)生高壓瞬變和設備安裝人員和操作人員可能帶來(lái)靜電放電事件的惡劣工廠(chǎng)條件下，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的電纜敷設路徑可能長(cháng)達100米。因此，穩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。

 

工業(yè)設備通常需要滿(mǎn)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(chǎng)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(guò)這些標準認證的相關(guān)成本比較高，如果需要進(jìn)行設計迭代來(lái)滿(mǎn)足其中任何一個(gè)標準，那么新產(chǎn)品的推出通常會(huì )延遲。使用已經(jīng)通過(guò)IEC和EN標準測試的PHY設備可顯著(zhù)降低新產(chǎn)品 開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險。

 

3：以太網(wǎng)PHY延遲

 

對于需要實(shí)時(shí)通信的應用（如圖1所示），進(jìn)行精確的運動(dòng)控制非常重要，PHY延遲亦會(huì )是一個(gè)重要的設計規范，因為它是整個(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據所需的通信時(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(shí)間，允許更多器件連接到網(wǎng)絡(luò )。

 

由于線(xiàn)性和環(huán)形網(wǎng)絡(luò )需要兩個(gè)以太網(wǎng)端口將數據從一個(gè)設備傳輸至下一個(gè)設備，所以對于有兩個(gè)端口（數據輸入端口/數據輸出端口）的設備，以太網(wǎng)PHY延遲的影響也會(huì )翻倍，見(jiàn)圖3。在 一個(gè)擁有32臺設備的網(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點(diǎn)數量和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )性能（周期時(shí)間）產(chǎn)生顯著(zhù)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數據速率可擴展性

 

采用支持不同數據速率的工業(yè)以太網(wǎng)PHY設備亦非常重要：10 Mb、100 Mb和1 Gb。PLC和運動(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場(chǎng)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。對于終端節點(diǎn)/邊緣節點(diǎn)連接，IEEE 802.3cg/10BASE-T1L中有一個(gè)新的物理層標準，支持在長(cháng)達1千米的單根雙絞線(xiàn)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(guò)程控制中的本質(zhì)安全應用。參見(jiàn)圖4，了解過(guò)程控制以太網(wǎng)連接和可擴展以太網(wǎng)PHY數據速率（從PLC到終端節點(diǎn)執行器和現場(chǎng)儀器儀表）的需求。

 

圖4. 過(guò)程控制，無(wú)縫云端連接技術(shù)。

 

5：解決方案尺寸

 

隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)網(wǎng)絡(luò )邊緣擴散，互聯(lián)節點(diǎn)的尺寸變得越來(lái)越小。以太網(wǎng)互聯(lián)傳感器/執行器的產(chǎn)品尺寸可以非常小，因此需要將PHY置于專(zhuān)為工業(yè)應用開(kāi)發(fā)的小封裝內。事實(shí)證明，引 腳間距為0.5毫米的LFCSP/QFN封裝較為可靠，無(wú)需昂貴的PCB制造流程，而且底部裸露焊盤(pán)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(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，因為其設備通?？稍诂F場(chǎng)使用15年以上。所以產(chǎn)品停產(chǎn)意味著(zhù)需要重新設計新產(chǎn)品，這會(huì )帶來(lái)高成本，而且非常耗時(shí)。工業(yè)以太網(wǎng)PHY設備必 須具有較長(cháng)的產(chǎn)品壽命，而消費電子、大眾市場(chǎng)、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穩健型工業(yè)以太網(wǎng)Gb PHY EMC/ESD穩健性測試

 

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分類(lèi)：

 

●  A類(lèi)

 

    ○ 鏈接不會(huì )斷開(kāi)。

    ○ 連續丟失或錯誤的數據包不會(huì )超過(guò)兩個(gè)。*

    ○ 系統必須正常運行，且在應力測試后無(wú)錯誤，無(wú)需用戶(hù)干預。

 

●  B類(lèi)

 

    ○ 鏈接不會(huì )斷開(kāi)

    ○ 允許數據包丟失和出現錯誤的數據包。

    ○ 系統必須正常運行，且在應力測試后無(wú)錯誤，無(wú)需用戶(hù)干預。

 

●  C類(lèi)

 

    ○ 在測試和/或系統需要用戶(hù)干預時(shí)，鏈接斷開(kāi)。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(wú)法確定問(wèn)題包是否是連續的。

 

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(chǎng)應用，確保為工業(yè)應用開(kāi)發(fā)生產(chǎn)壽命較長(cháng)的新產(chǎn)品。針 對本文所述挑戰而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的ADIN1300和ADIN1200具有如下增強的PHY特性：

 

●  增強的鏈接斷開(kāi)檢測，可在10 µs內檢測到鏈接斷開(kāi)

    ○ 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議要求（如EtherCAT®)

●  數據包起始檢測支持IEEE 1588時(shí)間戳

    ○ 整個(gè)網(wǎng)絡(luò )要求實(shí)現精確的時(shí)序

●  MDI引腳提供增強ESD保護

    ○ RJ-45接頭具有ESD穩健性

●  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

●  片內電源監視器

    ○ 提高了上電時(shí)的系統穩定性

 

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穩健性已經(jīng)過(guò)廣泛測試，可在高達105°C的環(huán)境溫度下運行。ADIN1300 PHY已通過(guò)EMC/ESD標準測試，如表3所示。通過(guò)使用已通過(guò)IEC和EN標準廣泛測試的以太網(wǎng)PHY技術(shù)，可顯著(zhù)降低產(chǎn)品合規性測試和認證的相關(guān)成本和時(shí)間。

 

ADIN1200低功耗10 Mbps/100 Mbps穩健型工業(yè)以太網(wǎng)PHY已經(jīng)過(guò)廣泛的EMC和ESD穩健性測試，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(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)設備連接提供系統 級解決方案，支持Profinet®, EtherNet/IP™、EtherCAT、Modbus TCP和Powerlink實(shí)現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(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(mǎn)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(mǎn)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(jiàn)Beckhoff的應用筆記——PHY選型指南。

 

客戶(hù)支持

 

提供用于A(yíng)DIN1300和ADIN1200的客戶(hù)評估板，以及用于加快評估的軟件GUI。有關(guān)應用板軟件GUI功能的視頻教程，參見(jiàn)analog.com 的ADIN1300和ADIN1200產(chǎn)品頁(yè)面。圖6顯示了應用電路板和軟件GUI。

 

圖6. ADIN1300和ADIN1200客戶(hù)評估板和軟件GUI。

 

總結

 

為實(shí)現IT和OT網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接，實(shí)現工業(yè)4.0的價(jià)值，針對工業(yè)應用而設計的增強物理層技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的設計選擇。穩健型工業(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、穩健性(EMC/ESD)和較長(cháng)產(chǎn)品壽命問(wèn)題，是實(shí)現互聯(lián)工廠(chǎng)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(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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