免费领取工业自动化技术手册(电子版)

 admin   2020-09-17 07:41   11 人阅读  0 条评论
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下文节选自《工业自动化设计技术特刊》中《适用于恶劣工业环境下时限通信的可靠以太网物理层解决方案》一文,立即扫码阅读下载全书(无需注册或登录)。

工业应用的以太网物理层要求

1:功耗和较高的环境温度

工业应用中的以太网互联设备通常封装在IP66/IP67密封外壳中。IP等级是指电气设备对水、污垢、灰尘和沙子的耐受力。IP后面的第一个数字是IEC分配的防固体等级。在这里,6意味着与物 质直接接触8小时后,无有害的灰尘或污物渗入设备中。随后是防水等级6和7。6意味着可在强大的喷射流中防止水渗入,而7意味着设备可浸入1米深的淡水中30分钟。

使用这些密封外壳后,由于外壳的导热能力下降,以太网PHY设备面临的两个主要挑战就是功耗和较高的环境温度。部署工业以太网时,需要使用工作温度高达105且功耗极低的以太网PHY 设备。

典型的工业以太网网络采用线性和环形拓扑进行部署。与星形网络相比,这些网络拓扑减少了布线长度,且在环形网络中留有冗余路径。连接至线性或环形网络的每个设备都需要两个以 太网端口,以便沿网络传递以太网帧。在这些用例中,以太网PHY功耗变得更为重要,因为每个互联设备都有两个PHY。千兆PHY功耗对总功耗有重大影响,而低功耗PHY可以为设备中的FPGA/处理器和以太网交换机提供更多的可用功耗预算。

我们来看图2中的示例,设备的功耗预算为2.5 W,包括FPGA、DDR存储器和需要1.8 W功耗预算的以太网交换机。这样,两个PHY的可用功耗预算仅剩下700 mW。为满足设备的散热要求,需使用功耗<350 mW的Gb PHY。当今市场上只有少数PHY满足这一功耗要求。

图2. 低功耗工业以太网PHY设备。

2:EMC/ESD稳健性

在生产设备噪音会产生高压瞬变和设备安装人员和操作人员可能带来静电放电事件的恶劣工厂条件下,工业网络的电缆敷设路径可能长达100米。因此,稳健可靠的物理层技术对于工业以太网的成功部署至关重要。

工业设备通常需要满足下述EMC/ESD IEC和EN标准:

  • IEC 61000-4-5浪涌
  • IEC 61000-4-4电快速瞬变脉冲群(EFT)
  • IEC 61000-4-2 ESD
  • IEC 61000-4-6射频场感应的传导抗扰度
  • EN 55032电磁辐射骚扰
  • EN 55032传导骚扰

产品通过这些标准认证的相关成本比较高,如果需要进行设计迭代来满足其中任何一个标准,那么新产品的推出通常会延迟。使用已经通过IEC和EN标准测试的PHY设备可显著降低新产品 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),进行精确的运动控制非常重要,PHY延迟亦会是一个重要的设计规范,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 收集和更新所有器件的数据所需的通信时间。降低网络周期时间可在时限通信中实现更高的应用性能。低延迟以太网PHY有助于最大限度地减少网络周期时间,允许更多器件连接到网络。

由于线性和环形网络需要两个以太网端口将数据从一个设备传输至下一个设备,所以对于有两个端口(数据输入端口/数据输出端口)的设备,以太网PHY延迟的影响也会翻倍,见图3。在 一个拥有32台设备的网络(64 PHY)中,如果PHY延迟降低25%,那么这一工业以太网PHY延迟的降低将对可连接的节点数量和工业以太网网络性能(周期时间)产生显著的影响。

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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

采用支持不同数据速率的工业以太网PHY设备亦非常重要:10 Mb、100 Mb和1 Gb。PLC和运动控制器之间的连接需要高带宽的千兆(1000BASE-T) TSN以太网连接。现场级连接采用在100 Mb (100BASE-TX)PHY中运行工业以太网协议的以太网连接。对于终端节点/边缘节点连接,IEEE 802.3cg/10BASE-T1L中有一个新的物理层标准,支持在长达1千米的单根双绞线电缆上以10 Mb带宽采用低功耗以太网PHY技术,并且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和可扩展以太网PHY数据速率(从PLC到终端节点执行器和现场仪器仪表)的需求。

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图4. 过程控制,无缝云端连接技术。

5:解决方案尺寸

随着以太网技术向工业网络边缘扩散,互联节点的尺寸变得越来越小。以太网互联传感器/执行器的产品尺寸可以非常小,因此需要将PHY置于专为工业应用开发的小封装内。事实证明,引 脚间距为0.5毫米的LFCSP/QFN封装较为可靠,无需昂贵的PCB制造流程,而且底部裸露焊盘可用于较高的环境温度条件下,从而增加了功耗。

6:产品耐久性

产品寿命是工业设备制造商关心的一个问题,因为其设备通常可在现场使用15年以上。所以产品停产意味着需要重新设计新产品,这会带来高成本,而且非常耗时。工业以太网PHY设备必 须具有较长的产品寿命,而消费电子、大众市场、以太网PHY供应商通常不支持这种产品。

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