用于恶劣工业环境中的以太网物理层解决方案

为什么工业应用中有以太网？

工业系统越来越多地采用以太网连接来解决制造商面临的关键工业 4.0 和智能工厂通信挑战。这些挑战包括数据集成、同步、边缘连接和系统互操作性。以太网连接的工厂通过实现信息技术 （IT） 和运营技术 （OT） 网络之间的连接，实现了更高的制造生产力，以及更灵活和可扩展的制造。这使得工厂的所有区域都可以在一个支持时间关键型通信的单一、无缝、安全和高带宽的网络上进行监控和控制。

规模化计算和强大的通信基础设施是互联工厂的命脉。当今的网络面临着不断增加的流量负载和跨无数协议的互操作性挑战，这些协议需要复杂、耗电的网关来转换整个工厂的流量。工业以太网通过向工厂边缘无缝提供关键的确定性性能，解决了单个网络上的这些互操作性问题。从历史上看，一直存在缺乏专为稳健工业环境设计的可用以太网物理层 （PHY） 的问题。长期以来，工业通信设备的设计人员不得不在为大众市场开发的标准消费级以太网 PHY 上勉强妥协。在工业 4.0 时代，

IT 与 OT 以太网连接

长期以来，以太网一直被用作 IT 世界的通信选择，因为它的优势包括支持良好、可扩展、灵活和高带宽的通信解决方案。它还具有作为 IEEE 标准所带来的互操作性优势。然而，桥接 IT 和 OT 网络并实现基于以太网技术的无缝连接的一个关键挑战是部署在需要时间关键连接的恶劣工业环境中。

工业以太网应用和以太网部署挑战

多轴同步和精密运动控制对于智能工厂内的高质量制造和加工至关重要。对生产吞吐量和输出质量的日益增长的需求正在推动对伺服电机驱动器的更快响应时间和更高精度的需求。这种改进的系统性能要求终端设备中使用的伺服电机轴更紧密地同步。实时 100 Mb 以太网广泛用于当今的运动控制系统。但是，同步只涉及网络主从之间的数据流量。

网络需要跨网络边界同步到应用程序，从低于 1 μs 一直到伺服电机控制中的 PWM 输出。这提高了多轴应用中的加工和生产精度，例如基于更高数据速率的千兆工业以太网和 IEEE 802.1 时间敏感网络 （TSN） 的机器人和 CNC 机床。这使得所有设备都可以连接到一个高带宽融合网络，并使用实时工业以太网协议实现边缘到云端的连接。

在工业环境中，稳定性和高环境温度是部署以太网的网络安装人员面临的主要挑战。长电缆线路被来自电机和生产设备的高压瞬变包围，可能会破坏数据和损坏设备。为了成功部署工业以太网，如图 1 所示，需要一种增强型以太网 PHY 技术，该技术在一个可以在嘈杂和高环境温度环境中运行的小型封装中具有鲁棒性、低功耗和低延迟。本文现在将讨论在互联工厂中部署以太网 PHY 解决方案的挑战。

什么是工业以太网物理层？

工业以太网 PHY 是一种物理层收发设备，用于基于 OSI 网络模型发送和接收以太网帧。在 OSI 模型中，以太网覆盖第 1 层（物理层）和第 2 层（数据链路层）的一部分，由 IEEE 802.3 标准定义。物理层指定电信号的类型、信令速度、媒体和网络拓扑。它实现了 1000BASE-T （1000 Mbps）、100BASE-TX（铜缆 100 Mbps）和 10BASE-T （10 Mb） 标准的以太网物理层部分。

数据链路层指定了如何通过媒体进行通信，以及发送和接收消息的帧结构。这仅仅意味着位如何从线路上脱离并进入位排列，以便可以从位流中提取数据。对于以太网，这称为媒体访问控制 （MAC），它集成到主机处理器或以太网交换机中。请参阅fido 5100和 fido 5200作为 ADI 嵌入式双端口工业以太网嵌入式交换机的两个示例，用于支持多协议、实时工业以太网设备连接的第 2 层连接。

工业应用的以太网物理层要求

1：功耗和高环境温度

工业应用中的以太网连接设备通常安装在密封的 IP66/IP67 外壳中。IP 等级是指电气设备对水、污垢、灰尘和沙子的抵抗力。IP 之后的第一个数字是 IEC 为其分配的固体阻力单位的等级。在这种情况下，六，这意味着在与物质直接接触八小时后，没有有害的灰尘或污垢渗入设备。接下来，我们有防水等级六和七。六意味着保护免受强大的喷射器喷射的水，而七意味着该设备可以浸入长达 1 米的淡水中 30 分钟。

对于这些类型的密封外壳，功耗和高环境温度是以太网 PHY 设备面临的两个主要挑战，因为这些外壳的导热能力降低。要部署工业以太网，需要在高达 105°C 的高环境温度下运行且功耗极低的以太网 PHY 设备。

典型的工业以太网网络部署在线形和环形拓扑中。与星形网络相比，这些网络拓扑减少了布线长度，并且在环形网络的情况下具有冗余路径。连接到线路或环形网络的每个设备都需要两个以太网端口来沿网络传递以太网帧。在这些用例中，以太网 PHY 功耗变得更加关键，因为每个连接的设备有两个 PHY。千兆位 PHY 功耗对整体功耗有重大影响，低功耗的 PHY 可为设备中的 FPGA/处理器和以太网交换机提供更多的可用功率预算。

图 2. 低功耗工业以太网 PHY 设备。

图 3. 工业以太网网络中的以太网 PHY 延迟。

让我们看一下图 2 中的示例，其中我们有一个功耗预算为 2.5 W 的设备。它包括一个 FPGA、DDR 存储器和一个需要 1.8 W 预算的以太网交换机。这仅剩下 700 mW 的可用功率两个 PHY 的功耗预算。为满足器件散热要求，需要功耗小于 350 mW 的 Gb PHY。目前满足此功耗目标的 PHY 选项有限。

2：EMC/ESD 稳健性

在恶劣的工厂条件下，工业网络的电缆长度可能长达 100 m，生产设备噪声会产生高压瞬变，并且设备安装人员和操作员可能会发生 ESD 事件是司空见惯的。因此，对于工业以太网的成功部署，强大的物理层技术至关重要。

工业设备通常需要通过以下 EMC/ESD IEC 和 EN 标准：

IEC 61000-4-5 浪涌

IEC 61000-4-4 电快速瞬变 （EFT）

IEC 61000-4-2 ESD

IEC 61000-4-6 传导抗扰度

EN 55032 辐射发射

EN 55032 传导发射

与这些标准的产品认证相关的成本很高，如果需要设计迭代来满足这些标准中的任何一个，新产品的推出通常会被推迟。通过使用已经过 IEC 和 EN 标准测试的 PHY 设备，可以显着降低新产品开发成本和风险。

3：以太网 PHY 延迟

对于需要实时通信的应用（如图 1 所示），运动的精确控制至关重要，PHY 延迟是一项重要的设计规范，因为它是整个工业以太网网络周期时间的关键部分。网络周期时间是控制器收集和更新所有设备数据所需的通信时间。较低的网络周期时间允许在时间关键型通信中获得更高的应用程序性能。低延迟以太网 PHY 有助于实现最小的网络周期时间，并允许将更多设备连接到网络。

由于线路和环形网络需要两个以太网端口将数据从一个设备传输到下一个设备，以太网 PHY 延迟的影响是每个设备两个端口（数据输入端口/数据输出端口）的两倍，请参见图 3。25% 的 PHY 延迟减少 32 个设备（64 个 PHY）的网络 减少工业以太网 PHY 延迟对可连接节点的数量和工业以太网网络的性能（周期时间）的影响是显着的。

4：以太网 PHY 数据速率可扩展性

拥有支持不同数据速率的工业以太网 PHY 设备也很重要：10 Mb、100 Mb 和 1 Gb。PLC 和运动控制器之间的连接需要高带宽、千兆位 （1000BASE-T） TSN 以太网连接。现场级连接基于在 100 Mb （100BASE-TX） PHY 上运行工业以太网协议的以太网连接。对于终端节点/边缘设备连接，在 IEEE 802.3cg/10BASE-T1L 下完成了一个新的物理层标准，该标准将在 10 Mb 带宽的单根双绞线电缆上实现低功耗以太网 PHY 技术，最远距离为 1 km，并且可用于过程控制中的本质安全应用。有关过程控制以太网连接以及从 PLC 到终端节点执行器和现场仪器的可扩展以太网 PHY 数据速率的需求。

5：解决方案大小

随着以太网技术向工业网络边缘扩散，连接节点的大小变得越来越小。以太网连接的传感器/执行器可以具有非常紧凑的外形尺寸，因此需要为工业应用开发的小封装 PHY。事实证明，具有 0.5 mm 引线间距的 LFCSP/QFN 封装坚固耐用，不需要昂贵的 PCB 制造流程，并且具有下面的裸露焊盘的优势，可增加高环境温度运行时的功耗。

6：产品寿命

产品生命周期可用性是工业设备制造商关心的问题，因为他们的设备通常在该领域保持活跃超过 15 年。这意味着产品过时是一项非常昂贵且耗时的产品重新设计活动。工业以太网 PHY 设备必须具有较长的产品使用寿命，而消费、大众市场以太网 PHY 的供应商通常不支持这一点。

稳健工业以太网应用的工业以太网 PHY 要求总结

表 1. 消费者与工业以太网 PHY 要求

表 2. ADIN1200 和 ADIN1300 特性

表 3. ADIN1300 稳健的工业以太网 Gb PHY EMC/ESD 稳健性测试

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分类：

A级

没有链接丢弃。

不超过两个连续丢失或错误的数据包。*

系统必须正常运行，在压力后没有错误且无需用户干预。

B类

没有链接丢弃。

允许丢失和错误的数据包。

系统必须正常运行，在压力后没有错误且无需用户干预。

C级 C

测试期间链接断开和/或系统需要用户干预。例如，在压力测试后重置或重启以恢复正常操作。

请注意，功能测试软件无法确定问题数据包是否是连续的。

工业以太网 PHY 技术

为满足工业设计人员的需求，半导体公司开发了工业以太网 PHY，旨在在高达 105°C 的扩展环境温度范围内的恶劣工业条件下可靠运行，并确保为工业应用开发的新产品具有较长的产品寿命。例如，ADI 公司的ADIN1300和ADIN1200专门针对工业应用的挑战而开发，包括：

增强的链路丢失检测，可在 《10 µs 内检测到链路丢失

对实时工业以太网协议（例如 EtherCAT®）的要求

开始检测 IEEE 1588 时间戳的数据包

需要通过网络进行准确计时

MDI 引脚上增强的 ESD 保护

RJ-45 连接器的 ESD 稳健性

PHY 上电时间，《15 ms

从电源良好到管理接口/寄存器可用的时间

片上电源监视器

上电时提高系统级稳健性

有关 ADIN1200 和 ADIN1300 工业以太网 PHY 特性的总结，请参见表 2。

ADIN1300 是业界功耗最低、延迟最低、封装尺寸最小的 10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps 工业以太网 PHY，已针对 EMC 和 ESD 稳健性进行了广泛测试，并支持高达 105°C 的扩展环境温度运行。ADIN1300 PHY 已根据 EMC/ESD 标准进行测试，如表 3 所示。通过使用已根据 IEC 和 EN 标准进行广泛测试的以太网 PHY 技术，可以显着降低与产品合规性测试和认证相关的成本和时间。

图 5. ADIN1200 和 fido5200 用于多协议、实时工业以太网设备连接。

图 6. ADIN1300 和 ADIN1200 客户评估板和软件 GUI。

ADIN1200 低功耗、10 Mbps/100 Mbps、稳健的工业以太网 PHY 已针对 EMC 和 ESD 稳健性进行了广泛测试，并支持高达 105°C 的扩展环境温度运行。带有 fido5200 的 ADIN1200 可为多协议实时工业以太网设备连接提供系统级解决方案，支持 Profinet®、EtherNet/IP™、EtherCAT、Modbus TCP 和 Powerlink，以实现嵌入式双端口设备连接，如图 5 所示。

支持 Beckhoff EtherCAT 和 EtherCAT G 工业以太网协议

ADIN1200 PHY 满足 EtherCAT 工业以太网协议的所有要求，并包含在 EtherCAT PHY 选择指南中。ADIN1300 PHY 满足 EtherCAT G 工业以太网协议的所有要求，并包含在 EtherCAT G PHY 选择指南中。有关详细信息，请参阅 Beckhoff 的应用笔记—PHY 选择指南。

客户支持

ADIN1300 和 ADIN1200 均提供客户评估板，以及用于快速评估的软件 GUI。有关应用板软件 GUI 功能的视频教程，请参见analog.com 上的ADIN1300和 ADIN1200 产品页面。图 6 显示了应用板和软件 GUI。

概括

为了实现 IT 和 OT 网络的无缝连接并释放工业 4.0 的价值，专为工业应用设计的增强型物理层技术是关键的设计选择。解决电源、延迟、解决方案尺寸、105°C 环境温度、稳健性 （EMC/ESD） 和长产品寿命等挑战的稳健工业以太网 PHY 技术是互联工厂的基础。

审核编辑：郭婷