適合在嚴苛工業環境下執行時效性通訊的強固乙太網路實體層

作者: ADI策略行銷經理Maurice O'Brien

為何要在工業應用中採用乙太網路?

越來越多工業系統採納乙太網路來解決製造商所面臨的關鍵工業4.0、以及智慧工廠通訊方面的挑戰。這些挑戰包括資料完整性、同步化、邊際連網、以及系統互通性。藉由乙太網路串連的工廠,能藉由資訊科技(IT)與營運技術(OT)網路之間的連結來使業界能建構更高製造生產力、更高彈性、以及可擴充的製造環境。如此一來,即可透過單一、無縫銜接、安全無虞、高頻寬、且支援時效性(time critical)的通訊系統,對工廠的所有領域進行監視與控制。

規模化運算以及品質通訊基礎設施是連網工廠賴以運行的生命線。現今的網路受困於持續增加的流量負載以及互通方面的難題,另外由於涉及眾多通訊協定,故需要在工廠各處佈建結構複雜、且極耗電的閘道器來轉譯傳輸資料。工業乙太網路提供關鍵的確定性效能,其無縫覆蓋到工廠的最外邊緣,進而在單一網路環境中解決這些互通性問題。業界一直缺乏專為強固工業環境量身設計的乙太網路實體層(PHY)。因此工業通訊設備的研發業者必須退而求其次,勉強延用原本是為大眾市場開發的消費級乙太網路實體層。在工業4.0時代,邊際節點的數量加速成長,加速連網工廠要求確定性的傳輸性能,這些條件使得強化型工業級的工業乙太網路實體層變得至關重要。

IT vs. OT 乙太網路連結

長久以來,乙太網路一直是IT世界的通訊技術首選,它具備的優點包括完善支援、擴充性、彈性、高頻寬通訊解決方案。此外,由於是IEEE規範的標準,因此乙太網路也具備互通方面的優點。在運用乙太網路技術銜接IT與OT網路以及促成無縫連結方面,業界面臨其中一項關鍵挑戰,就是必須在嚴苛的工業環境中進行部署,而且必須支援時效性通訊。

工業乙太網路應用以及乙太網路部署的挑戰

圖1顯示智慧工廠中運用工業乙太網路連結所建構的連網式動態應用。在智慧工廠中,多軸同步與精準動態控制功能,對於高品質製造與加工流程發揮了關鍵的作用。業界對於生產吞吐量與輸出品質持續攀升的要求,促使市場對於伺服馬達要求更快的反應時間以及更高的精準度。因此系統效能也必須同步提升,才能因應終端設備中伺服馬達各軸向進行更精準的同步化。現今即時性100 Mb乙太網路已廣泛用在馬達控制系統。然而,這方面的同步化僅覆蓋到網路主控端與從屬端之間的資料傳輸。

Connected motion applications enabled by Industrial Ethernet

圖1. 工業乙太網路促成的連網式動態應用

網路系統必須促成邊界各處同步化,才能讓伺服馬達控制的PWM輸出訊號支援延遲低於1 μs的應用。這樣的能力能改進各種多軸向應用的匹配度與生產精準度,包括像機器人以及CNC加工等,這類應用採用更高資料傳輸率的gigabit等級工業乙太網路以及IEEE 802.11 時效性網路(TSN)規範。而此種環境讓所有裝置能連到一個高頻寬覆蓋的網路,並採用即時工業乙太網路協定支援邊界到雲端的連結。

在工業環境中,網路安裝業者在部署乙太網路時面臨的兩項重大挑戰,就是強固性以及環境高溫。此外包括冗長的纜線,以及週遭馬達與生產設備產生的高瞬態電壓,這些因素都可能導致傳輸資料毀損甚至設備損壞。想要成功部署工業乙太網路,如圖1所示的環境,業界需要一種強化型乙太網路實體層技術,具備高強固性、低功耗、低延遲、小體積等特性,並能在充斥雜訊與高溫環境下運作。本文將探討在連網工廠部署乙太網路實體層解決方案所面臨的挑戰。

工業乙太網路實體層是什麼?

工業乙太網路實體層是一種實體層收發器裝置,用來傳送與接收依循OSI網路模型的乙太網路訊框。在OSI模型中,乙太網路涵蓋了Layer 1 (實體層) 以及一部分的Layer 2 (資料鏈結層) ,由IEEE 802.3標準加以定義。實體層部分規範了電氣訊號的種類、發訊速度、媒體、以及網路拓撲。這方面也建置了包括1000BASE-T (1000 Mbps)、100BASE-TX (透過銅導線進行100 Mbps傳輸)、以及10BASE-T (10 Mb)的乙太網路實體層。

資料鏈結層規範系統透過媒體進行通訊的方式,以及用來傳送與接收訊息的訊框結構。簡單的說就是如何從線路中的訊號轉成位元格式,以及接收端如何根據位元的排列從中擷取出資料。在乙太網路方面,這方面的程序稱之為媒體存取控制(MAC),相關功能整合到host處理器或乙太網路交換器。像fido5100 以及 fido5200這兩款ADI旗下的嵌入式雙埠工業乙太網路嵌入式交換器鎖定Layer 2連結應用,支援多重協定的即時工業乙太網路裝置連結。

工業應用對乙太網路實體層的要求

1: 功率消耗與環境高溫

工業應用的乙太網路裝置通常裝在密封的IP66/IP67規格外殼。IP國際防護等級指的是電子裝置對於水、污物、塵、沙粒的防護力。IP之後第一個數字是國際電工委員會(IEC)認定該製品對固態物的防護力。在這個例子中的6代表有害塵或污物在直接接觸8個小時後仍不會進入外殼。後面一位數字指的是防水能力,包括6和7。6代表在強力水柱下仍能維持防水,7則代表裝置浸入淡水1公尺深處30分鐘仍維持防水。

由於採用這類密封外殼會降低導熱效率,使得乙太網路實體層元件仍面臨功率消耗以及環境高溫這兩大挑戰。想要建置工業乙太網路,乙太網路的實體層元件必須耐受高達105°C的環境高溫,以及維持較低的功率消耗。

一般工業乙太網路都部署成直列(in line)與環狀拓撲。這些網路拓撲的佈線長度比星型網路較短,另外在環狀網路中還會有冗餘線路。每個裝置連到直列或環狀網路時,都需要用到兩個乙太網路埠才能在網路上傳遞乙太網路訊框。乙太網路實體層元件的功率消耗在這些使用情境中變得更為關鍵,因為每個連網裝置會用到兩個實體層元件。Gigabit網路實體層元件的功率消耗在整體功率消耗佔了相當高的比重,因此採用低功耗的實體層元件就能騰出更多的功率預算分給FPGA/處理器,以及裝置中的乙太網路交換器。

來看圖2中的例子,這裡的元件其功率消耗預算為2.5瓦。元件內含一個FPGA、DDR記憶體、以及乙太網路交換晶片,需要的預算為1.8瓦。因此僅留下700毫瓦的功率消耗預算給兩個實體層元件。為因應裝置散熱的要求,必須採用功率消耗低於350毫瓦的Gb等級實體層元件。然而市面上目前只有少數實體層元件選項符合這樣的功率消耗目標。

Low power Industrial Ethernet PHY devices

圖2. 低功耗工業乙太網路實體層元件

2: EMC/ESD 強固性

在工廠各種嚴苛的條件下,工業網路的線路可能佈到100公尺長,週遭經常會有生產設備產生的雜訊,以及設備安裝與操作人員身上所釋出的靜電。因此對於工業乙太網路的成功部署,強固的實體層技術有關鍵的影響力。

工業設備通常需要通過下列EMC/ESD IEC與EN等標準認證:

  • IEC 61000-4-5 雷擊
  • IEC 61000-4-4 電氣快速暫態脈衝 (EFT)
  • IEC 61000-4-2 靜電放電
  • IEC 61000-4-6 傳導抗擾度
  • EN 55032 電磁幅射
  • EN 55032 傳導干擾

產品要取得這些標準的認證,涉及的成本相當昂貴,倘若為了通過其中一項標準而必須重複修改設計,可能會拖延新產品推出的時程。因此運用已經通過測試符合IEC與EN相關標準的實體層元件,就能大幅降低新產品研發成本以及風險。

3: 乙太網路實體層的延遲

如圖1所示,對於要求即時通訊的應用而言,動態的精準控制至關重要,實體層元件的延遲也是一項重要的設計規格,因為它是整體工業乙太網路週期時間其中一個關鍵部分。網路週期時間指的是控制器到蒐集與更新所有元件資料所需要的通訊需求。在時效性通訊方面,較低的網路週期時間能帶來更高的應用效能。低延遲的乙太網路實體層除了有助於達成最小的網路週期時間,還能讓更多裝置連上網路。

由於直列與環狀網路需要用到兩個乙太網路埠才能將資料從某個裝置傳送到下個裝置,因此乙太網路實體層元件的延遲在每個裝置上經過兩個連結埠(資料流入埠/資料流出埠)之後產生雙倍的影響,如圖3所示。實體層元件的延遲減少25%,經過網路上32個裝置(64個實體層元件)傳遞後,工業乙太網路的實體層元件延遲就會大幅降低,影響層面涵蓋到連結節點的數量,以及工業乙太網路的效能(週期時間)。

Ethernet PHY latency in Industrial Ethernet networks

圖3. 工業乙太網路中的乙太網路實體層延遲

4: 乙太網路實體層資料傳輸率的擴充性

另一個重點是工業乙太網路實體層元件能支援不同的資料傳輸率:包括10Mb、100 Mb、以及1Gb。PLC與動態控制器之間的連結需要高頻寬的gigabit(1000BASE-T)TSN時效性乙太網路連結。現場層級的連結採用乙太網路,並在100 Mb(100BASE-TX)實體層元件上運行工業乙太網路協定。在終端節點/邊界裝置連結方面,IEEE 802.3cg/10BASE-T1L的規範下已完成一項新的實體層標準,採用單一雙絞線對線路支援低功率乙太網路實體層元件,在最長1公里的纜線上承載10 Mb的頻寬,支援流程控制的各種本質安全應用。圖4顯示流程控制乙太網路的連結,以及因應從PLC到終端節點制動器與現場儀器之間可擴充乙太網路實體層資料傳輸率的需求。

Process control, seamless edge-to-cloud connectivity

圖4. 流程控制,邊界至雲端的無縫連結

5: 解決方案尺寸

隨著乙太網路技術版圖逐漸擴展至工業網路的邊界,連網節點的尺寸也持續微縮。乙太網路連網感測器/制動器的尺吋可能很小,因此業界必須針對工業應用開發小型封裝的實體層元件。0.5 mm針腳間距的LFCSP/QFN 封裝證明具備強固性能,而且不需要昂貴的PCB製造流程,同時擁有裸露式焊盤的優點,利於在環境高溫下散熱。

6: 產品壽期

產品供應壽期也是工業設備製造商考量的其中一項因素,因為他們的設備通常會在廠區運行超過15年以上。這意謂著產品汰除不僅所費不貲,還涉及極耗時的產品重新設計。工業乙太網路實體層元件必須擁有相當長的產品供應壽期,一般消費級量產乙太網路實體層元件並不具備這項特性。

工業乙太網路實體層元件在強固工業乙太網路應用方面的摘要

表1. 消費型與工業乙太網路實體層元件的要求
實體層元件的關鍵功能 消費級乙太網路實體層元件 工業乙太網路實體層元件 優點
運作所處環境溫度 0°C 至 70°C –40°C 至 +105°C 在嚴苛工業應用中維持強固運行
Gb級實體層元件的延遲 (RGMII) >400 ns <300 ns 縮短網路週期時間
Gb 實體層元件功率 >500 mW <350 mW 沒有散熱風扇或散熱片的IP66/IP67 產品
EMC/ESD 強固性 不要求 雷擊、電氣快速暫態脈衝、靜電放電、 幅射抗擾度、傳導抗擾度、電磁幅射、傳導干擾 縮減產品研發與認證的時間與成本,強固產品
封裝尺吋 48針腳的7 mm × 7 mm 40針腳的6 mm × 6 mm 更小尺寸規格的產品
產品壽命(Lifetime) 20 至25 年 極長的產品供應期
表2. ADIN1200 與ADIN1300 功能特色
型號 資料傳輸率
(Mbps)
介面 IO 電壓
(伏)
纜線長度
(公尺)
鏈路斷線偵測
Detection (µs)
延遲
(ns)
功率
(mW)
溫度範圍
Range
封裝
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 mm × 5 mm)
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 mm × 6 mm)
表3. ADIN1300強固型工業乙太網路Gb 實體層元件EMC/ESD 強固性測試
測試/標準方法 相關標準限制 評測效能
CISPR 32

 

幅射干擾
(3公尺處)
30 MHz至230 MHz QP 50 dBµV/m 230 MHz至1 GHz QP 57 dBµV/m

 

1 GHz 至 3 GHz PK 76 dBµV/m, AVE 56 dBµV/m 3 GHz 至 6 GHz PK 80 dBµV/m, AVE 60 dBµV/m
符合工業Class A 環境限制
CISPR 32

 

傳導干擾
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
符合工業Class A 環境限制
IEC 61000-4-2
靜電放電
±4 kV 接觸
Class B 效能
RJ-45遮蔽纜線達到±6 kV Class B效能
IEC 61000-4-5
雷擊
±1 kV 線路接地,I/O 訊號/控制,
Class B 效能
±4 kV Class A 效能
IEC 61000-4-4
電氣快速暫態脈衝
±1 kV I/O 訊號/控制,
Class B 效能
±4 kV Class B 效能
IEC 61000-4-6
傳導抗擾度
3 V, 150 kHz 至 80 MHz,
Class A 效能
在AM與連續波運行模式下符合10 V Class A
幅射抗擾度
IEC 61000-4-3
10 V/m at 3 m 80 MHz to 1 GHz Class A performance.
3 V/m at 3 m 1.4 GHz 至 2 GHz,
1 V/m at 3 m 2 GHz 至 2.7 GHz,
1 V/m at 3 m 2.7 GHz 至 6 GHz
1 GHz以上符合工業Class A。
80 MHz 至1 GHz符合 3 V/m Class A

在連續波與AM干擾模式下進行測試

ADIN1300: EMC/ESD 功能的效能分類:

  • Class A
    • 沒有斷線
    • 沒有出現兩個以上連續丟失或傳輸錯誤封包*
    • 在受到影響後,系統必須在沒有使用者干預下維持正常運行,沒有任何錯誤
  • Class B
    • 沒有斷線
    • 允許丟失與傳輸錯誤的封包
    • 在受到影響後,系統必須在沒有使用者干預下維持正常運行,沒有任何錯誤
  • Class C
    • 鏈路在測試期間斷線,與/或系統需要使用者干預。舉例來說,在壓力測試後必須重置或開關機循環才能回復正常運作
*注意功能測試軟體無法判斷有問題的封包是否是連續性

新型工業乙太網路實體層技術

ADI最近釋出兩款新型工業乙太網路實體層元件,主要設計用來在嚴苛的工業條件下可靠地運作,並能支援最高到105°C的環境溫度。Analog Devices致力發展工業終端市場,確保針對工業應用開發的新產品能達到極長的產品壽命。ADIN1300ADIN1200搭載的增強實體層功能專門克服本文所述的各項挑戰:

  • 增強鏈路斷線偵測,能在不到10 µs的時間內偵測鏈路斷線
    • 即時工業乙太網路協定的必備功能(如EtherCAT®這類協定)
  • 針對IEEE 1588時戳啟動封包偵測
    • 在網路維持精準時序
  • 在MDI針腳上強化ESD保護
    • 在RJ-45連結器上提供ESD強固性
  • 實體層開啟電源時間,低於15 ms
    • 開啟電源傳導至管理介面/暫存器所用的時間
  • 晶片內電源監視器
    • 改進開啟電源時系統層級的強固性

請參見表2所詳列支ADIN1200與ADIN1300 工業乙太網路實體層功能

ADIN1300是業界最低功率、最低延遲、最小封裝尺寸的 10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps工業乙太網路實體層元件,其通過嚴密的EMC與ESD強固性測試,支援最高至105°C的環境溫度範圍。ADIN1300實體層元件通過如表3所列的EMC/ESD標準測試。藉由採用通過IEC與EN標準嚴密測試的乙太網路實體層技術,產品相容性測試與認證所耗費的成本與時間就能大幅縮減。

ADIN1200這款低功耗10 Mbps/100 Mbps強固型工業乙太網路實體層元件通過EMC與ESD強固性方面的嚴密測試,並支援延長環境溫度範圍,能在105°C高溫環境運作。ADIN1200 與fido5200為多重協定即時工業乙太網路裝置連結打造一個系統層級解決方案,為嵌入式雙埠裝置連結支援包括Profinet®、EtherNet/IP™、EtherCAT、Modbus TCP、以及Powerlink,如圖5所示。

ADIN1200 with fido5200 for multiprotocol, real-time Industrial Ethernet device connectivity

圖5. ADIN1200 結合fido5200建構多重協定的即時工業乙太網路裝置連結

支援Beckhoff EtherCAT 與EtherCAT G 工業乙太網路協定

ADIN1200實體層元件符合EtherCAT工業乙太網路協定的所有規範,並已被納入EtherCAT 實體層元件的挑選指南。ADIN1300實體層元件符合EtherCAT G工業乙太網路協定的所有規範,並已被納入EtherCAT G實體層元件的挑選指南。欲瞭解詳情,敬請參閱 Beckhoff的應用指南—實體層元件挑選指南.

客戶支援

ADIN1300 與ADIN1200現已推出客戶評估板,並附有軟體圖形化介面方便用戶快速評測。歡迎至analog.com官網瀏覽ADIN1300 與ADIN1200的產品專頁,觀看介紹應用機板軟體GUI功能的影片教學。圖6顯示應用機板以及軟體GUI圖型介面。

ADIN1300 and ADIN1200 customer evaluation boards and software GUI

圖6. ADIN1300 與ADIN1200客戶評估板與軟體圖形介面

總結

為讓IT與OT網路無縫連結以及釋放工業4.0的價值,針對工業應用設計的增強型實體層技術成為一項關鍵的設計選擇。強固的工業乙太網路實體層技術能解決包括功率、延遲、解決方案尺吋、105°C環境溫度、強固性(EMC/ESD)等方面的挑戰,而長久的產品壽命也是連網工廠的基礎。為解決本文闡述的相關挑戰,ADI最近並發表了兩款全新強固型工業乙太網路實體層元件ADIN1300 (10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps) 以及ADIN1200 (10 Mbps/100 Mbps/1000 Mbps)。

更多關於 ADI Chronous™ 工業乙太網路解決方案、及其如何加速真實世界的工業乙太網路,請參閱網址analog.com/Chronous