工業自動化網絡里PHY面臨的挑戰

電子發燒友網報道（文/李寧遠）如今的工業場景中，整個工業系統遍布著復雜的自動化架構和各式各樣的制造技術，這些通過工業網絡連接在一起，穩定的網絡連接是工業系統實現正?；具\行的關鍵所在。

與在商業類場景、消費類場景部署以太網不同，工業以太網環境中會有更多物理和電磁環境上的挑戰。工業級的以太網PHY在溫度耐受、電壓浪涌、延遲要求和網絡速度上都有非常嚴苛的要求。

延遲對工業自動化的影響

在工業以太網系統中，有許多延遲的來源。一些延遲由物理連接產生，典型的就是布線和PCB連接導致的延遲。在網絡連接上，數據通過PHY、MAC、開關和路徑中的其他組件時也會導致延遲。延遲也是選擇PHY時很重要的參考指標。

IEEE 802.3系列標準雖然不斷在發展，但是對于數據包穿越PHY的時間這一項，是沒有廢除明確的規范的。但延遲又能很直接地影響到實時工廠自動化應用程序。既然延遲不是IEEE 802.3標準所指定的以太網的定義值，又不是以太網固有的同步或可重復的值。因此以太網和工廠自動化應用之間必須通過以太網物理層設備PHY的精心架構來解決工廠自動化應用之間的脫節。

無論網絡拓撲結構或工業協議如何，這些協議都有一個共同的目標，即為工業網絡上的不同節點提供精確地控制。這一點可以通過對傳輸和接收的數據包進行時間戳，并使用這些時間戳在網絡的節點上對齊網絡時間來實現。網絡時間由數據包數據中的協議所共享，每個節點上的時間戳單位都會標記該時間。任何時間戳的變化會降低系統的準確性。較長的延遲也會限制數據包可以使用時間戳的頻率以及限制網絡中允許的節點數量。因此，必須盡可能降低延遲。

工業以太網PHY——延遲

對于工業自動化里需要精確控制的運動控制應用程序，周期時間一般需要在幾十微秒。在這些級別上，通過網絡中每個組件的延遲是至關重要的。以太網物理層PHY的延遲控制周期時間是非常關鍵的限制因素。

在1000Base-T、100Base-TX等以太網中，操作延遲更小的PHY可以提高周期時間。更小的延遲可以將周期時間提高到和更快傳輸速率以太網相同的級別，這相當于變相增加了網絡帶寬。目前大多數工業以太網應用程序在100Base-TX以太網中運行，但很多應用也正在開始轉移到1000Base-T，1000Base-T以太網可以提供更高的帶寬。延遲更低的PHY變相增加了網絡帶寬，也能很順利地幫助以太網向更高數據速率轉變。

工業以太網演進下的PHY其他挑戰

溫度是工業場景中很難控制的，更嚴苛的溫度條件也給PHY設計增加了不少難度，PHY需要在很寬的溫度范圍內保證發揮出其額定性能。一般來說工業以太網PHY應能夠在－40至85℃的溫度范圍內工作，并需要承受125℃的最大結溫。

功耗也是一個在任何時候都很重要的因素，尤其是在千兆位的PHY中，其功耗對系統的總功耗會產生重大影響。留給以太網物理層的功耗預算不會太多，而且每個互聯設備都是需要兩個以太網物理層，功耗需要夠低才能滿足整個設備的連接要求。有的廠商在低功耗PHY之外還會選擇用雙電源操作來實現更低的功耗。

小結

隨著工廠自動化系統復雜性的不斷增長，在節點與節點之間傳輸更多數據的需求不斷增加，在工廠中維持高性能互聯將變得愈發重要。不受惡劣工業環境影響的PHY 硬件連接對于工業互聯網絡的實現很有價值。