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和智能工厂通信难题。这些挑战包括数据集成，同步，边缘连接和系统互操作性。与以太网相连的工厂通过实现信息技术（IT）和运营技术（OT）网络之间的连接性，可以提高制造生产率，并实现更灵活和可扩展的制造。

这样，就可以在支持时间紧迫的通信的单一，无缝，安全和高带宽网络上对工厂的所有区域进行监视和控制。

规模化计算和强大的通信基础设施是连接工厂的命脉。当今的网络正面临越来越多的流量负载和跨多种协议的互操作性挑战，这些协议要求复杂，耗电的网关来转换整个工厂的流量。工业以太网通过无缝地将关键的确定性性能，提供给工厂边缘来解决单个网络上的这些互操作性问题。从历史上看，一直存在一个问题，即缺少专门为健壮的工业环境设计的可用以太网物理层（PHY）。对于为大众市场开发的标准，消费级以太网PHY，工业通信设备的设计者不得不花很长时间做出妥协。

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，因为它的优点包括得到了良好支持的，可扩展的，灵活的和高带宽的通信解决方案。它还具有IEEE标准带来的互操作性优势。

多轴同步和精确运动控制对于智能工厂中的高质量制造和加工至关重要。对生产产量和输出质量的要求不断提高，因此需要更快的响应时间和更高的伺服电机驱动精度。系统性能的提高要求终端设备内使用的伺服电机轴之间更加紧密的同步。如今，实时100 Mb以太网已广泛应用于运动控制系统中。但是，同步仅涉及网络主机和从机之间的数据通信。

图1.工业以太网支持的连接运动应用程序。

网络需要实现从网络边界到应用程序的同步，从不到1μs一直到伺服电机控制内的PWM输出。这提高了多轴应用的加工和生产精度，例如基于IEEE 802.1时间敏感网络（TSN）的更高数据速率千兆位工业以太网的机器人和CNC机器。这使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，以实现边缘到云的连接。

在工业环境中，坚固性和高环境温度是部署以太网的网络安装人员的主要挑战。电机和生产设备产生的高电压瞬变会包围长电缆，这可能会破坏数据并损坏设备。为了成功部署工业以太网，如图1所示，需要一种增强型以太网PHY技术，该技术要坚固耐用，低功耗，低延迟，并且要采用小型封装，并且可以在嘈杂的高温环境下工作。

什么是工业以太网物理层？

工业以太网PHY是用于基于OSI网络模型发送和接收以太网帧的物理层收发器设备。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（铜缆上的100 Mbps）和10BASE-T（10 Mb）标准的以太网物理层部分。

数据链路层指定在媒体上如何进行通信，以及发送和接收的消息的帧结构。这仅意味着比特如何从线路上脱出并变成比特排列，以便可以从比特流中提取数据。对于以太网，这称为媒体访问控制（MAC），它已集成到主机处理器或以太网交换机中。请参见fido5100和fido5200，这是ADI的嵌入式，两端口工业以太网嵌入式交换机的两个示例，用于支持第2层连接的多协议实时工业以太网设备连接。

工业应用的以太网物理层要求

1：功耗高且环境温度高

工业应用中的以太网连接设备通常被封装在密封的IP66 / IP67外壳中。IP等级是指电气设备对水，灰尘，灰尘和沙土的抵抗力。IP后的第一位数字是IEC为其固体抗性指定一个单位的等级。在这种情况下，六个小时，这意味着与该物质直接接触八个小时后，没有有害的灰尘或污垢渗入设备。接下来，我们的防水等级为6和7。六种表示保护免受强力喷射流中的水的侵害，而七种表示该设备可以浸入高达一米的淡水中30分钟。

对于这些类型的密封外壳，由于这些外壳的导热能力降低，功耗和高环境温度是以太网PHY设备的两个主要挑战。为了部署工业以太网，需要在高达105°C的高温环境下运行且功耗非常低的以太网PHY设备。

典型的工业以太网网络部署在线性和环形拓扑中。与星形网络相比，这些网络拓扑结构减少了布线长度，在环形网络中具有冗余路径。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，以沿着网络传递以太网帧。在这些用例中，以太网PHY的功耗变得尤为重要，因为每个连接的设备都有两个PHY。千兆位PHY功耗对整体功耗有重大影响，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可用功率预算。

让我们看一下图2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存储器和一个预算为1.8 W的以太网交换机。这仅剩下700 mW的可用空间。两个PHY的功耗预算。为了满足设备的散热要求，要求功耗小于350 mW的Gb PHY。

图2.低功耗工业以太网PHY设备。

2：EMC / ESD鲁棒性

工业网络在恶劣的工厂条件下可能会产生长达100 m的电缆，并且生产设备的噪声会产生高压瞬变，并且设备安装人员和操作人员可能会发生ESD事件。因此，强大的物理层技术对于成功部署工业以太网至关重要。

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 ESD

IEC 61000-4-6传导抗扰度

EN 55032辐射

EN 55032传导排放

与这些标准的产品认证相关的成本很高，如果需要进行设计迭代才能满足这些标准中的任何一个标准，则通常会延迟新产品的推出。通过使用已经通过IEC和EN标准测试的PHY器件，可以降低新产品开发的大量成本和风险。

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。较短的网络周期时间可在时间紧迫的通信中提高应用程序性能。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才能将数据从一个设备传输到另一设备，因此以太网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。PHY延迟为25％减少32个设备（64个PHY）的网络上这种减少的工业以太网PHY延迟的影响，对于可连接的节点数和该工业以太网的性能（周期时间）都非常重要。

图3.工业以太网中的以太网PHY延迟。

4：以太网PHY数据速率可扩展性

具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下完成了新的物理层标准，该标准将在10 Mb带宽的单双绞线电缆上实现低功率以太网PHY技术，距离可达1 km，可用于过程控制中的本安应用。有关过程控制以太网连接以及对从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，请参见图4。

图4.过程控制，边缘到云的无缝连接。

5：解决方案大小

随着以太网技术向工业网络的边缘扩散，连接节点越来越小。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包装中的PHY。LFCSP / QFN封装的引线间距为0.5 mm，被证明是坚固耐用的，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，可以提高在高环境温度下的功耗。

6：产品寿命

对于工业设备制造商来说，产品寿命的可用性是一个令人担忧的问题，因为他们的设备通常在该领域中活跃超过15年。这意味着产品过时是一项非常昂贵且耗时的产品。工业以太网PHY设备必须具有较长的产品使用寿命，而消费类，大众市场，以太网PHY的供应商通常不支持这种产品。