以太网物理层解决方案用于恶劣工业环境中的时间关键型通信

为什么在工业应用中使用以太网？

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，实现更高的制造生产率，以及更灵活和可扩展的制造。这允许在支持时间关键型通信的单一、无缝、安全和高带宽网络上监视和控制工厂的所有区域。

规模计算和强大的通信基础设施是互联工厂的命脉。当今的网络正在努力应对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。工业以太网通过在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互操作性问题。从历史上看，一直存在一个问题，即缺乏专为强大的工业环境设计的可用以太网物理层（PHY）。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上凑合和妥协太久。在工业 4.0 时代，边缘节点的数量正在加速，确定性对于实现互联工厂至关重要，增强型工业级工业以太网 PHY 至关重要。

IT 与 OT 以太网连接

以太网长期以来一直被用作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标准带来的互操作性优势。然而，桥接IT和OT网络以及实现基于以太网技术的无缝连接的一个关键挑战是在需要时间关键连接的恶劣工业环境中部署。

工业以太网应用和以太网部署挑战

基于工业以太网连接的智能工厂连接运动应用。多轴同步和精密运动控制对于智能工厂中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要求不断提高，推动了对伺服电机驱动器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，同步仅涉及网络主站和从站之间的数据流量。

网络需要实现跨网络边界到应用的同步，从低于1 μs一直到伺服电机控制中的PWM输出。这提高了多轴应用的加工和生产精度，例如基于更高数据速率千兆工业以太网的机器人和数控机床，具有IEEE 802.1时间敏感网络（TSN）。这使得所有设备都可以通过实时工业以太网协议连接到一个高带宽融合网络上，以实现边缘到云的连接。

在工业环境中，稳健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。长电缆被电机和生产设备的高压瞬变所包围，可能会损坏数据并损坏设备。为了成功部署工业以太网，如图1所示，需要增强型以太网PHY技术，该技术在可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 是一种物理层收发器设备，用于发送和接收基于 OSI 网络模型的以太网帧。在 OSI 模型中，以太网覆盖第 1 层（物理层）和第 2 层的一部分（数据链路层），并由 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（100 Mbps 铜缆）和 10BASE-T （10 Mb） 标准的以太网物理层部分。

数据链路层指定如何通过媒体进行通信，以及传输和接收的消息的帧结构。这仅仅意味着位如何从线路上脱落并进入位排列，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。fido5100和fido5200是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 后的第一个数字是 IEC 为其抗固体性分配的单位的额定值。在这种情况下，六，这意味着在直接接触该物质八小时后，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。六个意味着防止强力射流投射的水，而七个意味着设备可以浸入长达一米的淡水中 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设备的两大挑战，因为这些外壳的热传导能力降低。要部署工业以太网，需要具有高达 105°C 的高环境温度工作和极低功耗的以太网 PHY 设备。

典型的工业以太网网络部署在线形和环形拓扑结构中。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 功耗变得更加重要，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 可为器件中的 FPGA/处理器和以太网交换机提供更多可用功率预算。

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的器件。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。这只剩下两个PHY的可用功耗预算为700 mW。为了满足器件的散热要求，需要具有<350 mW功耗的Gb PHY。目前，满足此功耗目标的 PHY 选项有限。

图2.低功耗工业以太网 PHY 设备。

2：电磁兼容/静电放电稳健性

在恶劣的工厂条件下，工业网络的电缆可能长达 100 米，生产设备噪声会产生高压瞬变，设备安装人员和操作员发生 ESD 事件的可能性很常见。因此，成功部署工业以太网的强大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 电气快速瞬变 （EFT）

IEC 61000-4-2 静电放电

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延迟。通过使用已经按照IEC和EN标准进行测试的PHY设备，可以降低重要的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，精确控制运动至关重要，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。网络周期时间越短，可在时间关键型通信中实现更高的应用性能。低延迟以太网 PHY 有助于实现最短的网络周期时间，并允许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，因此每个设备两个端口（数据输入端口/数据输出端口）对以太网 PHY 延迟的影响是其两倍，请参见图 3。在由 32 个设备 （64 个 PHY） 组成的网络上，PHY 延迟降低 25% 这种减少的工业以太网 PHY 延迟对可以连接的节点数量和该工业以太网网络的性能（周期时间）的影响是显着的。

图3.工业以太网网络中的以太网 PHY 延迟。

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，根据IEEE 802.3cg/10BASE-T1L完成了一个新的物理层标准，该标准将在单根双绞线电缆上实现低功耗以太网PHY技术，带宽为10 Mb，最远可达1 km，可用于过程控制中的本质安全应用。参见图4，了解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表的可扩展以太网PHY数据速率的需求。

图4.过程控制，无缝的边缘到云连接。

5：解决方案尺寸

随着以太网技术向工业网络边缘扩散，连接节点的尺寸变得越来越小。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型封装中的PHY。LFCSP/QFN 封装采用 0.5 mm 引脚间距，经证明坚固耐用，不需要昂贵的 PCB 制造流程，并且具有下方裸露焊盘的优势，可在高环境温度操作时增加功耗。

6：产品寿命

产品寿命可用性是工业设备制造商关注的问题，因为他们的设备通常在现场保持活动状态超过 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寿命可用性，而消费者、大众市场、以太网 PHY 的供应商通常不支持这一点。

强大的工业以太网应用的工业以太网PHY要求摘要

物理层主要特点	消费类以太网物理层	工业以太网物理层	效益
环境温度操作	0°C 至 70°C	–40°C 至 +105°C	在恶劣的 工业应用中运行稳健
千兆以太网物理延迟 （RGMII）	>400 纳秒	<300 纳秒	缩短网络周期时间
千兆以太网物理电源	>500毫瓦	<350毫瓦	IP66/IP67 产品，不带风扇或散热器
电磁兼容/静电放电稳健性	不需要	浪涌、EFT、ESD、辐射抗扰度、传导抗扰度、辐射发射、传导 发射	减少产品开发和 认证时间和成本，产品坚固耐用
包装尺寸	48 引脚，7 mm × 7 mm	40 引脚，6 mm × 6 mm	外形更小的产品
产品寿命	短	20至25岁	产品供货时间长

部件号	数据速率 （Mbps）	MAC 接口	IO 电压 （V）	电缆长度 （m）	链路损耗 检测 （μs）	延迟（ 纳秒）	功率 （毫瓦）	温度范围	包
ADIN1200	10/100	MII/RMII/RGMII	1.8/2.5/3.3	180	<10	300 （MII）	139	–40°C 至 +105°C	32-LFCSP （5 毫米 × 5 毫米）
ADIN1300	10/100/1000	MII/RMII/RGMII	1.8/2.5/3.3	150	<10	294 （RGMII）	330	–40°C 至 +105°C	40-LFCSP （6 毫米 × 6 毫米）

测试/标准方法	相关标准限值	评估的性能
CISPR 32 辐射发射 （在 3 m 处）	30兆赫至230兆赫 QP 50分贝/米 230兆赫至1千兆赫 QP 57分贝/米 1千兆赫至3千兆赫 PK 76分贝/分贝，平均56分贝/米 3千兆赫至6千兆赫 PK 80分贝/米，平均 60分贝微伏/米	符合工业 A 级环境限制。
CISPR 32 传导发射	0.15 MHz 至 0.5 MHz：QP：53 dBμA 至 43 dBμA，AVE：40 dBμA 至 30 dBμA 0.5 MHz 至 30 MHz：QP：43 dBμA， AVE：30 dBμA	符合工业 A 级环境限制。
IEC 61000-4-2 静电放电	±4 kV 触点， B 类性能	RJ-45 屏蔽的 ±6 kV B 类性能。
IEC 61000-4-5 浪涌	±1 kV 线路接地，I/O 信号/控制， B 类性能	±4 kV A 类性能。
IEC 61000-4-4 电子转帐	±1 kV I/O 信号/控制， B 类性能	±4 kV B 类性能。
IEC 61000-4-6 传导抗扰度	3 V，150 kHz 至 80 MHz， A 类性能	在 AM 和 CW 工作模式下均符合 10 V A 类要求。
辐射抗扰度 IEC 61000-4-3	10 V/m，3 m 80 MHz 至 1 GHz A 类性能。 3 m 1.4 GHz 至 2 GHz 时为 3 V/m，3 m 2 GHz 至 2.7 GHz 时为 1 V/m， 3 m 2.7 GHz 至 6 GHz 时为 1 V/m	符合 1 GHz 以上的工业 A 类要求。 符合 80 MHz 至 1 GHz 的 3 V/m A 类要求。 在 CW 和 AM 干扰模式下进行测试。

ADIN1300：EMC/ESD功能性能分类：

A类

没有链接丢弃。

连续丢失或错误数据包不超过两个。

系统必须正常运行，压力后没有错误，也没有用户干预。

B类

没有链接丢弃。

允许丢失和错误数据包。

系统必须正常运行，压力后没有错误，也没有用户干预。

C类

链路在测试期间断开和/或系统需要用户干预。例如，在压力测试后复位或重启电源以恢复正常运行。

* 请注意，功能测试软件无法确定问题数据包是否是连续的。

新型工业以太网 PHY 技术

ADI公司最近发布了两款新型工业以太网PHY，设计用于在恶劣的工业条件下可靠运行，环境温度范围高达105°C。 ADI公司对工业终端市场的承诺确保了为工业应用开发的新产品具有较长的产品寿命。此处列出了ADIN1300和ADIN1200上专门针对本文所述挑战开发的增强型PHY特性：

增强的链路损耗检测，可在 <10 μs 内检测链路损耗

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

需要在整个网络中进行准确计时

MDI 引脚上的增强型 ESD 保护

RJ-45 连接器上的 ESD 鲁棒性

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

提高了上电时的系统级鲁棒性

有关ADIN1200和ADIN1300工业以太网PHY特性的摘要，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，经过广泛的EMC和ESD鲁棒性测试，支持高达105°C的扩展环境温度工作。 ADIN1300 PHY已按照EMC/ESD标准进行了测试，如表3所示。通过使用经过IEC和EN标准广泛测试的以太网PHY技术，可以显著降低与产品合规性测试和认证相关的成本和时间。

ADIN1200低功耗、10 Mbps/100 Mbps、鲁棒型工业以太网PHY已经过广泛的EMC和ESD鲁棒性测试，支持高达105°C的扩展环境温度工作。 带有fido5200的ADIN1200可为支持Profinet、EtherNet/IP的多协议实时工业以太网设备连接提供系统级解决方案®™、EtherCAT、Modbus TCP 和 Powerlink 用于嵌入式双端口设备连接，如图 5 所示。

图5.ADIN1200与fido5200配合使用，用于多协议、实时工业以太网器件连接。

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。有关更多详细信息，请参见 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，并提供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。

图6.ADIN1300和ADIN1200客户评估板和软件GUI。

总结

为了实现IT和OT网络的无缝连接并释放工业4.0的价值，为工业应用设计的增强型物理层技术是一个关键的设计选择。强大的工业以太网 PHY 技术解决了功耗、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，是互联工厂的基础。为了应对本文概述的挑战，ADI公司最近发布了两款新型鲁棒型工业以太网PHY，即ADIN1300（10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps）和ADIN1200（10 Mbps/100 Mbps）。

审核编辑：郭婷