適用于惡劣工業環境下時限通信的可靠以太網物理層解決方案

       工業應用為什么要采用以太網?

　　越來越多的工業系統采用以太網連接來解決制造商面臨的工業4.0和智能工廠通信關鍵挑戰，包括數據集成、同步、終端連接和系統互操作性挑戰。以太網互聯工廠通過實現信息技術(IT)與操作技術(OT)網絡之間的連接，可提高生產率，同時提高生產的靈活性和可擴展性。這樣，使用一個支持時限通信的無縫、安全的高帶寬網絡便可監控工廠的所有區域。

　　規模計算和可靠的通信基礎設施是互聯工廠的命脈。當今的網絡面臨著流量負載不斷增長以及眾多協議之間互操作性的挑戰，這些協議需要使用復雜且耗電的網關來轉換整個工廠的流量。通過向工廠邊緣終端無縫交付關鍵的確定性性能，工業以太網可解決同一網絡中的這些互操作性問題。過去一直缺乏專為可靠的工業環境設計的適用以太網物理層(PHY)。長期以來，工業通信設備的設計人員不得不使用針對大眾市場開發的消費級標準以太網PHY。在工業4.0時代，終端節點的數量正在加速增長，確定性對于實現互聯工廠極其重要，因此增強的工業級工業以太網PHY至關重要。

　　IT與OT以太網連接

　　由于以太網是受到廣泛支持的、可擴展、靈活的高帶寬通信解決方案，所以一直以來都是IT領域的通信之選。此外，它還具有IEEE標準帶來的互操作性優勢。然而，實現IT和OT網絡之間的 連接以及基于以太網技術的無縫連接面臨著一個關鍵挑戰，那就是如何在要求時限連接的惡劣工業環境下進行部署。

　　工業以太網應用和以太網部署挑戰

　　圖1顯示了智能工廠中基于工業以太網連接的互聯移動應用。多軸同步和精密運動控制對于在智能工廠中實現高質量生產和加工至關重要。隨著對生產能力和輸出質量的要求越來越高，伺 服電機驅動器也需要更快的響應時間和更高的驅動精度。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。實時100Mb以太網廣泛用于當今的運動控制系統。但是，同步僅涉及網絡主機和從機之間的數據通信。

　圖1. 通過工業以太網實現的互聯移動應用。

　　網絡需要支持跨網絡邊界同步到應用，從低于1 μs的時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精度，如采用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)的機器人和數控機床。利用實時工業以太網協議，所有設備均可連接到一個高帶寬聚合網絡，以實現邊緣到云連接。

　　在工業環境中，部署以太網的網絡安裝人員面臨的主要挑戰就是穩健性和較高的環境溫度。較長的電纜敷設路徑周圍存在來自電機和生產設備的高壓瞬變，從而可能會損壞數據和設備。為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，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境下工作。本文將討論在互聯工廠中部署以太網PHY解決方案所面臨的挑戰。

　　何為工業以太網物理層?

　　工業以太網PHY是一種物理層收發器器件，根據OSI網絡模式收發以太網幀。在OSI模式中，以太網覆蓋第1層(物理層)和第2層(數據鏈路層)的一部分，并由IEEE802.3標準定義。物理層指 定電信號類型、信號速度、介質和網絡拓撲。它實施1000BASE-T(1000 Mbps)、100BASE-TX(100 Mbps，銅纜)和10BASE-T (10 Mb)標準的以太網物理層部分。

　　數據鏈路層指定如何通過介質進行通信，以及傳輸和接收消息的幀結構。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據。對于以太網，這稱為介質訪問控制 (MAC)，將集成至主機處理器或以太網交換機中。例如，fido5100和fido5200這兩款ADI嵌入式、雙端口工業以太網嵌入式交換機，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：功耗和較高的環境溫度

　　工業應用中的以太網互聯設備通常封裝在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后面的第一個數字是IEC分配的防固體等級。在這里，6意味著與物 質直接接觸8小時后，無有害的灰塵或污物滲入設備中。隨后是防水等級6和7。6意味著可在強大的噴射流中防止水滲入，而7意味著設備可浸入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PHY設備面臨的兩個主要挑戰就是功耗和較高的環境溫度。部署工業以太網時，需要使用工作溫度高達105且功耗極低的以太網PHY 設備。

　　典型的工業以太網網絡采用線性和環形拓撲進行部署。與星形網絡相比，這些網絡拓撲減少了布線長度，且在環形網絡中留有冗余路徑。連接至線性或環形網絡的每個設備都需要兩個以 太網端口，以便沿網絡傳遞以太網幀。在這些用例中，以太網PHY功耗變得更為重要，因為每個互聯設備都有兩個PHY。千兆PHY功耗對總功耗有重大影響，而低功耗PHY可以為設備中的FPGA/處理器和以太網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功耗預算的以太網交換機。這樣，兩個PHY的可用功耗預算僅剩下700 mW。為滿足設備的散熱要求，需使用功耗<350 mW的Gb PHY。當今市場上只有少數PHY滿足這一功耗要求。