用于惡劣工業環境中的以太網物理層解決方案

為什么工業應用中有以太網？

工業系統越來越多地采用以太網連接來解決制造商面臨的關鍵工業 4.0 和智能工廠通信挑戰。這些挑戰包括數據集成、同步、邊緣連接和系統互操作性。以太網連接的工廠通過實現信息技術 （IT） 和運營技術 （OT） 網絡之間的連接，實現了更高的制造生產力，以及更靈活和可擴展的制造。這使得工廠的所有區域都可以在一個支持時間關鍵型通信的單一、無縫、安全和高帶寬的網絡上進行監控和控制。

規?；嬎愫蛷姶蟮耐ㄐ呕A設施是互聯工廠的命脈。當今的網絡面臨著不斷增加的流量負載和跨無數協議的互操作性挑戰，這些協議需要復雜、耗電的網關來轉換整個工廠的流量。工業以太網通過向工廠邊緣無縫提供關鍵的確定性性能，解決了單個網絡上的這些互操作性問題。從歷史上看，一直存在缺乏專為穩健工業環境設計的可用以太網物理層 （PHY） 的問題。長期以來，工業通信設備的設計人員不得不在為大眾市場開發的標準消費級以太網 PHY 上勉強妥協。在工業 4.0 時代，

IT 與 OT 以太網連接

長期以來，以太網一直被用作 IT 世界的通信選擇，因為它的優勢包括支持良好、可擴展、靈活和高帶寬的通信解決方案。它還具有作為 IEEE 標準所帶來的互操作性優勢。然而，橋接 IT 和 OT 網絡并實現基于以太網技術的無縫連接的一個關鍵挑戰是部署在需要時間關鍵連接的惡劣工業環境中。

工業以太網應用和以太網部署挑戰

多軸同步和精密運動控制對于智能工廠內的高質量制造和加工至關重要。對生產吞吐量和輸出質量的日益增長的需求正在推動對伺服電機驅動器的更快響應時間和更高精度的需求。這種改進的系統性能要求終端設備中使用的伺服電機軸更緊密地同步。實時 100 Mb 以太網廣泛用于當今的運動控制系統。但是，同步只涉及網絡主從之間的數據流量。

網絡需要跨網絡邊界同步到應用程序，從低于 1 μs 一直到伺服電機控制中的 PWM 輸出。這提高了多軸應用中的加工和生產精度，例如基于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 CNC 機床。這使得所有設備都可以連接到一個高帶寬融合網絡，并使用實時工業以太網協議實現邊緣到云端的連接。

在工業環境中，穩定性和高環境溫度是部署以太網的網絡安裝人員面臨的主要挑戰。長電纜線路被來自電機和生產設備的高壓瞬變包圍，可能會破壞數據和損壞設備。為了成功部署工業以太網，如圖 1 所示，需要一種增強型以太網 PHY 技術，該技術在一個可以在嘈雜和高環境溫度環境中運行的小型封裝中具有魯棒性、低功耗和低延遲。本文現在將討論在互聯工廠中部署以太網 PHY 解決方案的挑戰。

什么是工業以太網物理層？

工業以太網 PHY 是一種物理層收發設備，用于基于 OSI 網絡模型發送和接收以太網幀。在 OSI 模型中，以太網覆蓋第 1 層（物理層）和第 2 層（數據鏈路層）的一部分，由 IEEE 802.3 標準定義。物理層指定電信號的類型、信令速度、媒體和網絡拓撲。它實現了 1000BASE-T （1000 Mbps）、100BASE-TX（銅纜 100 Mbps）和 10BASE-T （10 Mb） 標準的以太網物理層部分。

數據鏈路層指定了如何通過媒體進行通信，以及發送和接收消息的幀結構。這僅僅意味著位如何從線路上脫離并進入位排列，以便可以從位流中提取數據。對于以太網，這稱為媒體訪問控制 （MAC），它集成到主機處理器或以太網交換機中。請參閱fido 5100和 fido 5200作為 ADI 嵌入式雙端口工業以太網嵌入式交換機的兩個示例，用于支持多協議、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：功耗和高環境溫度

工業應用中的以太網連接設備通常安裝在密封的 IP66/IP67 外殼中。IP 等級是指電氣設備對水、污垢、灰塵和沙子的抵抗力。IP 之后的第一個數字是 IEC 為其分配的固體阻力單位的等級。在這種情況下，六，這意味著在與物質直接接觸八小時后，沒有有害的灰塵或污垢滲入設備。接下來，我們有防水等級六和七。六意味著保護免受強大的噴射器噴射的水，而七意味著該設備可以浸入長達 1 米的淡水中 30 分鐘。

對于這些類型的密封外殼，功耗和高環境溫度是以太網 PHY 設備面臨的兩個主要挑戰，因為這些外殼的導熱能力降低。要部署工業以太網，需要在高達 105°C 的高環境溫度下運行且功耗極低的以太網 PHY 設備。

典型的工業以太網網絡部署在線形和環形拓撲中。與星形網絡相比，這些網絡拓撲減少了布線長度，并且在環形網絡的情況下具有冗余路徑。連接到線路或環形網絡的每個設備都需要兩個以太網端口來沿網絡傳遞以太網幀。在這些用例中，以太網 PHY 功耗變得更加關鍵，因為每個連接的設備有兩個 PHY。千兆位 PHY 功耗對整體功耗有重大影響，低功耗的 PHY 可為設備中的 FPGA/處理器和以太網交換機提供更多的可用功率預算。

圖 2. 低功耗工業以太網 PHY 設備。

圖 3. 工業以太網網絡中的以太網 PHY 延遲。

讓我們看一下圖 2 中的示例，其中我們有一個功耗預算為 2.5 W 的設備。它包括一個 FPGA、DDR 存儲器和一個需要 1.8 W 預算的以太網交換機。這僅剩下 700 mW 的可用功率兩個 PHY 的功耗預算。為滿足器件散熱要求，需要功耗小于 350 mW 的 Gb PHY。目前滿足此功耗目標的 PHY 選項有限。

2：EMC/ESD 穩健性

在惡劣的工廠條件下，工業網絡的電纜長度可能長達 100 m，生產設備噪聲會產生高壓瞬變，并且設備安裝人員和操作員可能會發生 ESD 事件是司空見慣的。因此，對于工業以太網的成功部署，強大的物理層技術至關重要。

工業設備通常需要通過以下 EMC/ESD IEC 和 EN 標準：

IEC 61000-4-5 浪涌

IEC 61000-4-4 電快速瞬變 （EFT）

IEC 61000-4-2 ESD

IEC 61000-4-6 傳導抗擾度

EN 55032 輻射發射

EN 55032 傳導發射

與這些標準的產品認證相關的成本很高，如果需要設計迭代來滿足這些標準中的任何一個，新產品的推出通常會被推遲。通過使用已經過 IEC 和 EN 標準測試的 PHY 設備，可以顯著降低新產品開發成本和風險。

3：以太網 PHY 延遲

對于需要實時通信的應用（如圖 1 所示），運動的精確控制至關重要，PHY 延遲是一項重要的設計規范，因為它是整個工業以太網網絡周期時間的關鍵部分。網絡周期時間是控制器收集和更新所有設備數據所需的通信時間。較低的網絡周期時間允許在時間關鍵型通信中獲得更高的應用程序性能。低延遲以太網 PHY 有助于實現最小的網絡周期時間，并允許將更多設備連接到網絡。

由于線路和環形網絡需要兩個以太網端口將數據從一個設備傳輸到下一個設備，以太網 PHY 延遲的影響是每個設備兩個端口（數據輸入端口/數據輸出端口）的兩倍，請參見圖 3。25% 的 PHY 延遲減少 32 個設備（64 個 PHY）的網絡 減少工業以太網 PHY 延遲對可連接節點的數量和工業以太網網絡的性能（周期時間）的影響是顯著的。

4：以太網 PHY 數據速率可擴展性

擁有支持不同數據速率的工業以太網 PHY 設備也很重要：10 Mb、100 Mb 和 1 Gb。PLC 和運動控制器之間的連接需要高帶寬、千兆位 （1000BASE-T） TSN 以太網連接?，F場級連接基于在 100 Mb （100BASE-TX） PHY 上運行工業以太網協議的以太網連接。對于終端節點/邊緣設備連接，在 IEEE 802.3cg/10BASE-T1L 下完成了一個新的物理層標準，該標準將在 10 Mb 帶寬的單根雙絞線電纜上實現低功耗以太網 PHY 技術，最遠距離為 1 km，并且可用于過程控制中的本質安全應用。有關過程控制以太網連接以及從 PLC 到終端節點執行器和現場儀器的可擴展以太網 PHY 數據速率的需求。

5：解決方案大小

隨著以太網技術向工業網絡邊緣擴散，連接節點的大小變得越來越小。以太網連接的傳感器/執行器可以具有非常緊湊的外形尺寸，因此需要為工業應用開發的小封裝 PHY。事實證明，具有 0.5 mm 引線間距的 LFCSP/QFN 封裝堅固耐用，不需要昂貴的 PCB 制造流程，并且具有下面的裸露焊盤的優勢，可增加高環境溫度運行時的功耗。

6：產品壽命

產品生命周期可用性是工業設備制造商關心的問題，因為他們的設備通常在該領域保持活躍超過 15 年。這意味著產品過時是一項非常昂貴且耗時的產品重新設計活動。工業以太網 PHY 設備必須具有較長的產品使用壽命，而消費、大眾市場以太網 PHY 的供應商通常不支持這一點。

穩健工業以太網應用的工業以太網 PHY 要求總結

表 1. 消費者與工業以太網 PHY 要求

表 2. ADIN1200 和 ADIN1300 特性

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

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分類：

A級

沒有鏈接丟棄。

不超過兩個連續丟失或錯誤的數據包。*

系統必須正常運行，在壓力后沒有錯誤且無需用戶干預。

B類

沒有鏈接丟棄。

允許丟失和錯誤的數據包。

系統必須正常運行，在壓力后沒有錯誤且無需用戶干預。

C級 C

測試期間鏈接斷開和/或系統需要用戶干預。例如，在壓力測試后重置或重啟以恢復正常操作。

請注意，功能測試軟件無法確定問題數據包是否是連續的。

工業以太網 PHY 技術

為滿足工業設計人員的需求，半導體公司開發了工業以太網 PHY，旨在在高達 105°C 的擴展環境溫度范圍內的惡劣工業條件下可靠運行，并確保為工業應用開發的新產品具有較長的產品壽命。例如，ADI 公司的ADIN1300和ADIN1200專門針對工業應用的挑戰而開發，包括：

增強的鏈路丟失檢測，可在 《10 μs 內檢測到鏈路丟失

對實時工業以太網協議（例如 EtherCAT?）的要求

開始檢測 IEEE 1588 時間戳的數據包

需要通過網絡進行準確計時

MDI 引腳上增強的 ESD 保護

RJ-45 連接器的 ESD 穩健性

PHY 上電時間，《15 ms

從電源良好到管理接口/寄存器可用的時間

片上電源監視器

上電時提高系統級穩健性

有關 ADIN1200 和 ADIN1300 工業以太網 PHY 特性的總結，請參見表 2。

ADIN1300 是業界功耗最低、延遲最低、封裝尺寸最小的 10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps 工業以太網 PHY，已針對 EMC 和 ESD 穩健性進行了廣泛測試，并支持高達 105°C 的擴展環境溫度運行。ADIN1300 PHY 已根據 EMC/ESD 標準進行測試，如表 3 所示。通過使用已根據 IEC 和 EN 標準進行廣泛測試的以太網 PHY 技術，可以顯著降低與產品合規性測試和認證相關的成本和時間。

圖 5. ADIN1200 和 fido5200 用于多協議、實時工業以太網設備連接。

圖 6. ADIN1300 和 ADIN1200 客戶評估板和軟件 GUI。

ADIN1200 低功耗、10 Mbps/100 Mbps、穩健的工業以太網 PHY 已針對 EMC 和 ESD 穩健性進行了廣泛測試，并支持高達 105°C 的擴展環境溫度運行。帶有 fido5200 的 ADIN1200 可為多協議實時工業以太網設備連接提供系統級解決方案，支持 Profinet?、EtherNet/IP?、EtherCAT、Modbus TCP 和 Powerlink，以實現嵌入式雙端口設備連接，如圖 5 所示。

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，并包含在 EtherCAT PHY 選擇指南中。ADIN1300 PHY 滿足 EtherCAT G 工業以太網協議的所有要求，并包含在 EtherCAT G PHY 選擇指南中。有關詳細信息，請參閱 Beckhoff 的應用筆記—PHY 選擇指南。

客戶支持

ADIN1300 和 ADIN1200 均提供客戶評估板，以及用于快速評估的軟件 GUI。有關應用板軟件 GUI 功能的視頻教程，請參見analog.com 上的ADIN1300和 ADIN1200 產品頁面。圖 6 顯示了應用板和軟件 GUI。

概括

為了實現 IT 和 OT 網絡的無縫連接并釋放工業 4.0 的價值，專為工業應用設計的增強型物理層技術是關鍵的設計選擇。解決電源、延遲、解決方案尺寸、105°C 環境溫度、穩健性 （EMC/ESD） 和長產品壽命等挑戰的穩健工業以太網 PHY 技術是互聯工廠的基礎。

審核編輯：郭婷