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何为工业以太网物理层?

何为工业以太网物理层?

  “新基修”的加快铺排叠加疫情催生的使用需求,工业互联网迎来了一轮新的生长上涨。举动工业互联网更始升级的环节,工业以太网何如正在阴恶的处境下确保其妥当性和敏捷性是目前的首要挑拨。

  越来越众的工业体系采用以太网相联来办理修筑商面对的工业4.0和智能工场通讯环节挑拨,席卷数据集成、同步、终端相联和体系互操作性挑拨。以太网互联工场通过达成讯息手艺(IT)与操作手艺(OT)搜集之间的相联,可降低坐蓐率,同时降低坐蓐的敏捷性和可扩展性。如许,应用一个接济时限通讯的无缝、太平的高带宽搜集便可监控工场的通盘区域。

  范围推算和牢靠的通讯根蒂措施是互联工场的命根子。当今的搜集面对着流量负载不竭拉长以及繁众制定之间互操作性的挑拨,这些制定需求应用杂乱且耗电的网合来转换统统工场的流量。通过向工场边际终端无缝交付环节具体定性功能,工业以太网可办理统一搜集中的这些互操作性题目。过去不断缺乏专为牢靠的工业处境安排的实用以太网物理层(PHY)。长久从此,工业通讯修筑的安排职员不得不应用针对众人墟市开辟的消费级准则以太网PHY。正在工业4.0期间,终端节点的数目正正在加快拉长,确定性对付达成互联工场极其紧急,因而巩固的工业级工业以太网PHY至合紧急。

  因为以太网是受到寻常接济的、可扩展、敏捷的高带宽通讯办理计划,以是不断从此都是IT周围的通讯之选。别的,它还具有IEEE准则带来的互操作性上风。然而,达成IT和OT搜集之间的 相联以及基于以太网手艺的无缝相联面对着一个环节挑拨,那便是何如正在条件时限相联的阴恶工业处境下举办铺排。

  图1显示了智能工场中基于工业以太网相联的互联挪动使用。众轴同步和周到运动限定对付正在智能工场中达成高质地坐蓐和加工至合紧急。跟着对坐蓐才具和输出质地的条件越来越高,伺 服电机驱动器也需求更速的响当令间和更高的驱动精度。体系功能降低条件终端修筑中应用的伺服电机轴更严紧地同步。及时100Mb以太网寻常用于当今的运动限定体系。然而,同步仅涉及搜集主机和从机之间的数据通讯。

  搜集需求接济跨搜集界线同步到使用,从低于1 s的时光到伺服电机限定内的PWM输出。这降低了众轴使用的加工和坐蓐精度,如采用更高数据速度的千兆工业以太网和IEEE 802.1时光敏锐搜集(TSN)的机械人和数控机床。诈骗及时工业以太网制定,通盘修筑均可相联到一个高带宽聚会搜集,以达成边际到云相联。

  正在工业处境中,铺排以太网的搜集装置职员面对的首要挑拨便是妥当性和较高的处境温度。较长的电缆敷设途途四周存正在来自电机和坐蓐修筑的高压瞬变,从而不妨会损坏数据和修筑。为得胜铺排工业以太网(如图1所示),需求一种巩固型以太网PHY手艺,条件功能安宁牢靠,低功耗、低延迟,采用小型封装,而且能够正在嘈杂的高温处境下劳动。本文将磋议正在互联工场中铺排以太网PHY办理计划所面对的挑拨。

  工业以太网PHY是一种物理层收发器器件,凭据OSI搜集形式收发以太网帧。正在OSI形式中,以太网笼盖第1层(物理层)和第2层(数据链途层)的一一面,并由IEEE802.3准则界说。物理层指 定电信号类型、信号速率、介质和搜集拓扑。它践诺1000BASE-T(1000 Mbps)、100BASE-TX(100 Mbps,铜缆)和10BASE-T (10 Mb)准则的以太网物理层一面。

  数据链途层指定何如通过介质举办通讯,以及传输和回收讯息的帧构造。这仅仅意味着位何如从电线上星散出来并进入位罗列,以便从位流中提取数据。对付以太网,这称为介质拜望限定 (MAC),将集成至主机执掌器或以太网调换机中。比方,fido5100和fido5200这两款ADI嵌入式、双端口工业以太网嵌入式调换机,用于接济众制定、及时工业以太网修筑相联的第2层相联。

  工业使用中的以太网互联修筑平凡封装正在IP66/IP67密封外壳中。IP品级是指电气修筑对水、污垢、尘土和沙子的耐受力。IP后面的第一个数字是IEC分派的防固体品级。正在这里,6意味着与物 质直接接触8小时后,无无益的尘土或污物渗透修筑中。随后是防水品级6和7。6意味着可正在壮大的喷射流中预防水渗透,而7意味着修筑可浸入1米深的淡水中30分钟。

  应用这些密封外壳后,因为外壳的导热才具消浸,以太网PHY修筑面对的两个首要挑拨便是功耗和较高的处境温度。铺排工业以太网时,需求应用劳动温度高达105且功耗极低的以太网PHY 修筑。

  范例的工业以太网搜集采用线性和环形拓扑举办铺排。与星形搜集比拟,这些搜集拓扑节减了布线长度,且正在环形搜集中留有冗余途途。相联至线性或环形搜集的每个修筑都需求两个以 太网端口,以便沿搜集传达以太网帧。正在这些用例中,以太网PHY功耗变得更为紧急,由于每个互联修筑都有两个PHY。千兆PHY功耗对总功耗有宏大影响,而低功耗PHY可认为修筑中的FPGA/执掌器和以太网调换机供给更众的可用功耗预算。

  咱们来看图2中的示例,修筑的功耗预算为2.5 W,席卷FPGA、DDR存储器和需求1.8 W功耗预算的以太网调换机。如许,两个PHY的可用功耗预算仅剩下700 mW。为满意修筑的散热条件,需应用功耗《350 mW的Gb PHY。当今墟市上只要少数PHY满意这一功耗条件。

  正在坐蓐修筑噪音会形成高压瞬变和修筑装置职员和操作职员不妨带来静电放电事宜的阴恶工场要求下,工业搜集的电缆敷设途途不妨长达100米。因而,妥当牢靠的物理层手艺对付工业以太网的得胜铺排至合紧急。

  产物通过这些准则认证的联系本钱比拟高,要是需求举办安排迭代来满意此中任何一个准则,那么新产物的推出平凡会延迟。应用曾经通过IEC和EN准则测试的PHY修筑可明显低落新产物 开辟本钱和危险。

  对付需求及时通讯的使用(如图1所示),举办无误的运动限定出格紧急,PHY延迟亦会是一个紧急的安排楷模,由于它是统统工业以太网搜集周期时光的环节一面。搜集周期时光是限定器 收罗和更新通盘器件的数据所需的通讯时光。低落搜集周期时光可正在时限通讯中达成更高的使用功能。低延迟以太网PHY有助于最局势限地节减搜集周期时光,应承更众器件相联到搜集。

  因为线性和环形搜集需求两个以太网端口将数据从一个修筑传输至下一个修筑,以是对付有两个端口(数据输入端口/数据输出端口)的修筑,以太网PHY延迟的影响也会翻倍,睹图3。正在 一个具有32台修筑的搜集(64 PHY)中,要是PHY延迟低落25%,那么这一工业以太网PHY延迟的低落将对可相联的节点数目和工业以太网搜集功能(周期时光)形成明显的影响。

  采用接济分别数据速度的工业以太网PHY修筑亦出格紧急:10 Mb、100 Mb和1 Gb。PLC和运动限定器之间的相联需求高带宽的千兆(1000BASE-T) TSN以太网相联。现场级相联采用正在100 Mb (100BASE-TX)PHY中运转工业以太网制定的以太网相联。对付终端节点/边际节点相联,IEEE 802.3cg/10BASE-T1L中有一个新的物理层准则,接济正在长达1千米的单根双绞线 Mb带宽采用低功耗以太网PHY手艺,而且可用于进程限定中的本色太平使用。参睹图4,理会进程限定以太网相联和可扩展以太网PHY数据速度(从PLC到终端节点践诺器和现场仪器仪外)的需求。

  跟着以太网手艺向工业搜集边际扩散,互联节点的尺寸变得越来越小。以太网互联传感器/践诺器的产物尺寸能够出格小,因而需求将PHY置于专为工业使用开辟的小封装内。真相外明,引 脚间距为0.5毫米的LFCSP/QFN封装较为牢靠,无需腾贵的PCB修筑流程,并且底部裸露焊盘可用于较高的处境温度要求下,从而填补了功耗。

  产物寿命是工业修筑修筑商合注的一个题目,由于其修筑平凡可正在现场应用15年以上。以是产物停产意味着需求从头安排新产物,这会带来高本钱,并且出格耗时。工业以太网PHY修筑必 须具有较长的产物寿命,而消费电子、众人墟市、以太网PHY供应商平凡不接济这种产物。

  正在测试和/或体系需求用户干与时,链接断开。比方,正在应力测试后重置或重启以复原平常运转。

  ADI迩来宣布了两款全新的工业以太网PHY,可正在处境温度高达105C的阴恶工业要求下牢靠运转。ADI不断尽力于工业终端墟市使用,确保为工业使用开辟坐蓐寿命较长的新产物。针 对本文所述挑拨而特意开辟的ADIN1300和ADIN1200具有如下巩固的PHY特质:

  ADIN1300是业界具有隽拔的功耗、延迟和封装尺寸特质的10Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工业以太网PHY,其EMC和ESD妥当性曾经过寻常测试,可正在高达105C的处境温度下运转。ADIN1300 PHY已通过EMC/ESD准则测试,如外3所示。通过应用已通过IEC和EN准则寻常测试的以太网PHY手艺,可明显低落产物合规性测试和认证的联系本钱和时光。

  图5. 带有fido5200的ADIN1200,用于及时众制定工业以太网器件相联。

  供给用于ADIN1300和ADIN1200的客户评估板,以及用于加快评估的软件GUI。相合使用板软件GUI成效的视频教程,参睹的ADIN1300和ADIN1200产物页面。图6显示了使用电途板和软件GUI。

  为达成IT和OT搜集的无缝相联,达成工业4.0的价钱,针对工业使用而安排的巩固物理层手艺是一个环节的安排拔取。妥当型工业以太网PHY手艺可办理功耗、延迟、办理计划尺寸、105C环 境温度、妥当性(EMC/ESD)和较长产物寿命题目,是达成互联工场的根蒂。为办理本文所述挑拨,ADI近期推出了两款全新的妥当型工业以太网PHY,即ADIN1300(10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps)和ADIN1200(10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps)。

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