強大的以太網物理層解決方案，適用于惡劣工業環境中的時間關鍵型通信

為什么在工業應用中使用以太網？

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，實現更高的制造生產率，以及更靈活和可擴展的制造。這允許在支持時間關鍵型通信的單一、無縫、安全和高帶寬網絡上監視和控制工廠的所有區域。

規模計算和強大的通信基礎設施是互聯工廠的命脈。當今的網絡正在努力應對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。工業以太網通過在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互操作性問題。從歷史上看，一直存在一個問題，即缺乏專為強大的工業環境設計的可用以太網物理層（PHY）。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上湊合和妥協太久。在工業 4.0 時代，邊緣節點的數量正在加速，確定性對于實現互聯工廠至關重要，增強型工業級工業以太網 PHY 至關重要。

IT 與 OT 以太網連接

以太網長期以來一直被用作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標準帶來的互操作性優勢。然而，橋接IT和OT網絡以及實現基于以太網技術的無縫連接的一個關鍵挑戰是在需要時間關鍵連接的惡劣工業環境中部署。

工業以太網應用和以太網部署挑戰

基于工業以太網連接的智能工廠連接運動應用如圖1所示。多軸同步和精密運動控制對于智能工廠中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要求不斷提高，推動了對伺服電機驅動器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，同步僅涉及網絡主站和從站之間的數據流量。

圖1.由工業以太網支持的互聯運動應用。

網絡需要實現跨網絡邊界到應用的同步，從低于1 μs一直到伺服電機控制中的PWM輸出。這提高了多軸應用的加工和生產精度，例如基于更高數據速率千兆工業以太網的機器人和數控機床，具有IEEE 802.1時間敏感網絡（TSN）。這使得所有設備都可以通過實時工業以太網協議連接到一個高帶寬融合網絡上，以實現邊緣到云的連接。

在工業環境中，穩健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。長電纜被電機和生產設備的高壓瞬變所包圍，可能會損壞數據并損壞設備。為了成功部署工業以太網，如圖1所示，需要增強型以太網PHY技術，該技術在可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 是一種物理層收發器設備，用于發送和接收基于 OSI 網絡模型的以太網幀。在 OSI 模型中，以太網覆蓋第 1 層（物理層）和第 2 層的一部分（數據鏈路層），并由 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（100 Mbps 銅纜）和 10BASE-T （10 Mb） 標準的以太網物理層部分。

數據鏈路層指定如何通過媒體進行通信，以及傳輸和接收的消息的幀結構。這僅僅意味著位如何從線路上脫落并進入位排列，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。fido5100和fido5200是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 后的第一個數字是 IEC 為其抗固體性分配的單位的額定值。在這種情況下，六，這意味著在直接接觸該物質八小時后，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。六個意味著防止強力射流投射的水，而七個意味著設備可以浸入長達一米的淡水中 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設備的兩大挑戰，因為這些外殼的熱傳導能力降低。要部署工業以太網，需要具有高達 105°C 的高環境溫度工作和極低功耗的以太網 PHY 設備。

典型的工業以太網網絡部署在線形和環形拓撲結構中。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 功耗變得更加重要，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 可為器件中的 FPGA/處理器和以太網交換機提供更多可用功率預算。

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的器件。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。這只剩下兩個PHY的可用功耗預算為700 mW。為了滿足器件的散熱要求，需要具有<350 mW功耗的Gb PHY。目前，滿足此功耗目標的 PHY 選項有限。

圖2.低功耗工業以太網 PHY 設備。

2：電磁兼容/靜電放電穩健性

在惡劣的工廠條件下，工業網絡的電纜可能長達 100 米，生產設備噪聲會產生高壓瞬變，設備安裝人員和操作員發生 ESD 事件的可能性很常見。因此，成功部署工業以太網的強大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 電氣快速瞬變 （EFT）

IEC 61000-4-2 靜電放電

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延遲。通過使用已經按照IEC和EN標準進行測試的PHY設備，可以降低重要的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，精確控制運動至關重要，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。網絡周期時間越短，可在時間關鍵型通信中實現更高的應用性能。低延遲以太網 PHY 有助于實現最短的網絡周期時間，并允許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，因此每個設備兩個端口（數據輸入端口/數據輸出端口）對以太網 PHY 延遲的影響是其兩倍，請參見圖 3。在由 25 個設備 （32 個 PHY） 組成的網絡上，PHY 延遲降低 64% 這種減少的工業以太網 PHY 延遲對可以連接的節點數量和該工業以太網網絡的性能（周期時間）的影響是顯著的。

圖3.工業以太網網絡中的以太網 PHY 延遲。

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，根據IEEE 802.3cg/10BASE-T1L完成了一個新的物理層標準，該標準將在單根雙絞線電纜上實現低功耗以太網PHY技術，帶寬為10 Mb，最遠可達1 km，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連接以及從PLC到終端節點執行器和現場儀表的可擴展以太網PHY數據速率的需求。

圖4.過程控制，無縫的邊緣到云連接。

5：解決方案尺寸

隨著以太網技術向工業網絡邊緣擴散，連接節點的尺寸變得越來越小。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型封裝中的PHY。LFCSP/QFN 封裝采用 0.5 mm 引腳間距，經證明堅固耐用，不需要昂貴的 PCB 制造流程，并且具有下方裸露焊盤的優勢，可在高環境溫度操作時增加功耗。

6：產品壽命

產品壽命可用性是工業設備制造商關注的問題，因為他們的設備通常在現場保持活動狀態超過 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壽命可用性，而消費者、大眾市場、以太網 PHY 的供應商通常不支持這一點。

強大的工業以太網應用的工業以太網PHY要求摘要

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分類：

A類

沒有鏈接丟棄。

連續丟失或錯誤數據包不超過兩個。

系統必須正常運行，壓力后沒有錯誤，也沒有用戶干預。

B類

沒有鏈接丟棄。

允許丟失和錯誤數據包。

系統必須正常運行，壓力后沒有錯誤，也沒有用戶干預。

C類

鏈路在測試期間斷開和/或系統需要用戶干預。例如，在壓力測試后復位或重啟電源以恢復正常運行。

* 請注意，功能測試軟件無法確定問題數據包是否是連續的。

新型工業以太網 PHY 技術

ADI公司最近發布了兩款新型工業以太網PHY，設計用于在惡劣的工業條件下可靠運行，環境溫度范圍高達105°C。 ADI公司對工業終端市場的承諾確保了為工業應用開發的新產品具有較長的產品壽命。此處列出了ADIN1300和ADIN1200上專門針對本文所述挑戰開發的增強型PHY特性：

增強的鏈路損耗檢測，可在 <10 μs 內檢測鏈路損耗

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

需要在整個網絡中進行準確計時

MDI 引腳上的增強型 ESD 保護

RJ-45 連接器上的 ESD 魯棒性

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

提高了上電時的系統級魯棒性

有關ADIN2和ADIN1200工業以太網PHY特性的摘要，請參見表1300。

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，經過廣泛的EMC和ESD魯棒性測試，支持高達105°C的擴展環境溫度工作。 ADIN1300 PHY已按照EMC/ESD標準進行了測試，如表3所示。通過使用經過IEC和EN標準廣泛測試的以太網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。

ADIN1200低功耗、10 Mbps/100 Mbps、魯棒型工業以太網PHY已經過廣泛的EMC和ESD魯棒性測試，支持高達105°C的擴展環境溫度工作。 帶有fido1200的ADIN5200可為支持Profinet、EtherNet/IP的多協議實時工業以太網設備連接提供系統級解決方案??、EtherCAT、Modbus TCP 和 Powerlink 用于嵌入式雙端口設備連接，如圖 5 所示。

圖5.ADIN1200與fido5200配合使用，用于多協議、實時工業以太網器件連接。

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。有關更多詳細信息，請參見 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，并提供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。

圖6.ADIN1300和ADIN1200客戶評估板和軟件GUI。

總結

為了實現IT和OT網絡的無縫連接并釋放工業4.0的價值，為工業應用設計的增強型物理層技術是一個關鍵的設計選擇。強大的工業以太網 PHY 技術解決了功耗、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，是互聯工廠的基礎。

審核編輯：郭婷