工業(yè)應(yīng)用為什么要采用以太網(wǎng)?

　　越來越多的工業(yè)系統(tǒng)采用以太網(wǎng)連接來解決制造商面臨的工業(yè)4.0和智能工廠通信關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)集成、同步、終端連接和系統(tǒng)互操作性挑戰(zhàn)。以太網(wǎng)互聯(lián)工廠通過實現(xiàn)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，同時提高生產(chǎn)的靈活性和可擴(kuò)展性。這樣，使用一個支持時限通信的無縫、安全的高帶寬網(wǎng)絡(luò)便可監(jiān)控工廠的所有區(qū)域。

　　規(guī)模計算和可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施是互聯(lián)工廠的命脈。當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)面臨著流量負(fù)載不斷增長以及眾多協(xié)議之間互操作性的挑戰(zhàn)，這些協(xié)議需要使用復(fù)雜且耗電的網(wǎng)關(guān)來轉(zhuǎn)換整個工廠的流量。通過向工廠邊緣終端無縫交付關(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題。過去一直缺乏專為可靠的工業(yè)環(huán)境設(shè)計的適用以太網(wǎng)物理層(PHY)。長期以來，工業(yè)通信設(shè)備的設(shè)計人員不得不使用針對大眾市場開發(fā)的消費級標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY。在工業(yè)4.0時代，終端節(jié)點的數(shù)量正在加速增長，確定性對于實現(xiàn)互聯(lián)工廠極其重要，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(kuò)展、靈活的高帶寬通信解決方案，所以一直以來都是IT領(lǐng)域的通信之選。此外，它還具有IEEE標(biāo)準(zhǔn)帶來的互操作性優(yōu)勢。然而，實現(xiàn)IT和OT網(wǎng)絡(luò)之間的 連接以及基于以太網(wǎng)技術(shù)的無縫連接面臨著一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，那就是如何在要求時限連接的惡劣工業(yè)環(huán)境下進(jìn)行部署。

　　工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用和以太網(wǎng)部署挑戰(zhàn)

　　圖1顯示了智能工廠中基于工業(yè)以太網(wǎng)連接的互聯(lián)移動應(yīng)用。多軸同步和精密運動控制對于在智能工廠中實現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)和加工至關(guān)重要。隨著對生產(chǎn)能力和輸出質(zhì)量的要求越來越高，伺 服電機驅(qū)動器也需要更快的響應(yīng)時間和更高的驅(qū)動精度。系統(tǒng)性能提高要求終端設(shè)備中使用的伺服電機軸更緊密地同步。實時100Mb以太網(wǎng)廣泛用于當(dāng)今的運動控制系統(tǒng)。但是，同步僅涉及網(wǎng)絡(luò)主機和從機之間的數(shù)據(jù)通信。

　圖1. 通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的互聯(lián)移動應(yīng)用。

　　網(wǎng)絡(luò)需要支持跨網(wǎng)絡(luò)邊界同步到應(yīng)用，從低于1 μs的時間到伺服電機控制內(nèi)的PWM輸出。這提高了多軸應(yīng)用的加工和生產(chǎn)精度，如采用更高數(shù)據(jù)速率的千兆工業(yè)以太網(wǎng)和IEEE 802.1時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的機器人和數(shù)控機床。利用實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，所有設(shè)備均可連接到一個高帶寬聚合網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)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(zhàn)就是穩(wěn)健性和較高的環(huán)境溫度。較長的電纜敷設(shè)路徑周圍存在來自電機和生產(chǎn)設(shè)備的高壓瞬變，從而可能會損壞數(shù)據(jù)和設(shè)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(wěn)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)工廠中部署以太網(wǎng)PHY解決方案所面臨的挑戰(zhàn)。

　　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(jù)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(shù)據(jù)鏈路層)的一部分，并由IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義。物理層指 定電信號類型、信號速度、介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。它實?000BASE-T(1000 Mbps)、100BASE-TX(100 Mbps，銅纜)和10BASE-T (10 Mb)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層部分。

　　數(shù)據(jù)鏈路層指定如何通過介質(zhì)進(jìn)行通信，以及傳輸和接收消息的幀結(jié)構(gòu)。這僅僅意味著位如何從電線上分離出來并進(jìn)入位排列，以便從位流中提取數(shù)據(jù)。對于以太網(wǎng)，這稱為介質(zhì)訪問控制 (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A(yù)DI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、實時工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備連接的第2層連接。

　　工業(yè)應(yīng)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(yīng)用中的以太網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備通常封裝在IP66/IP67密封外殼中。IP等級是指電氣設(shè)備對水、污垢、灰塵和沙子的耐受力。IP后面的第一個數(shù)字是IEC分配的防固體等級。在這里，6意味著與物 質(zhì)直接接觸8小時后，無有害的灰塵或污物滲入設(shè)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(shè)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(dǎo)熱能力下降，以太網(wǎng)PHY設(shè)備面臨的兩個主要挑戰(zhàn)就是功耗和較高的環(huán)境溫度。部署工業(yè)以太網(wǎng)時，需要使用工作溫度高達(dá)105且功耗極低的以太網(wǎng)PHY 設(shè)備。

　　典型的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用線性和環(huán)形拓?fù)溥M(jìn)行部署。與星形網(wǎng)絡(luò)相比，這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錅p少了布線長度，且在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中留有冗余路徑。連接至線性或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的每個設(shè)備都需要兩個以 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，因為每個互聯(lián)設(shè)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(shè)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(yù)算。

　　我們來看圖2中的示例，設(shè)備的功耗預(yù)算為2.5 W，包括FPGA、DDR存儲器和需要1.8 W功耗預(yù)算的以太網(wǎng)交換機。這樣，兩個PHY的可用功耗預(yù)算僅剩下700 mW。為滿足設(shè)備的散熱要求，需使用功耗<350 mW的Gb PHY。當(dāng)今市場上只有少數(shù)PHY滿足這一功耗要求。