工业自动化网络里PHY面临的挑战

电子发烧友网报道（文/李宁远）如今的工业场景中，整个工业系统遍布着复杂的自动化架构和各式各样的制造技术，这些通过工业网络连接在一起，稳定的网络连接是工业系统实现正常基本运行的关键所在。
 
与在商业类场景、消费类场景部署以太网不同，工业以太网环境中会有更多物理和电磁环境上的挑战。工业级的以太网PHY在温度耐受、电压浪涌、延迟要求和网络速度上都有非常严苛的要求。
 
延迟对工业自动化的影响
 
在工业以太网系统中，有许多延迟的来源。一些延迟由物理连接产生，典型的就是布线和PCB连接导致的延迟。在网络连接上，数据通过PHY、MAC、开关和路径中的其他组件时也会导致延迟。延迟也是选择PHY时很重要的参考指标。
 

工业自动化网络架构，TI

 
IEEE 802.3系列标准虽然不断在发展，但是对于数据包穿越PHY的时间这一项，是没有废除明确的规范的。但延迟又能很直接地影响到实时工厂自动化应用程序。既然延迟不是IEEE 802.3标准所指定的以太网的定义值，又不是以太网固有的同步或可重复的值。因此以太网和工厂自动化应用之间必须通过以太网物理层设备PHY的精心架构来解决工厂自动化应用之间的脱节。
 
无论网络拓扑结构或工业协议如何，这些协议都有一个共同的目标，即为工业网络上的不同节点提供精确地控制。这一点可以通过对传输和接收的数据包进行时间戳，并使用这些时间戳在网络的节点上对齐网络时间来实现。网络时间由数据包数据中的协议所共享，每个节点上的时间戳单位都会标记该时间。任何时间戳的变化会降低系统的准确性。较长的延迟也会限制数据包可以使用时间戳的频率以及限制网络中允许的节点数量。因此，必须尽可能降低延迟。
 
工业以太网PHY——延迟
 
对于工业自动化里需要精确控制的运动控制应用程序，周期时间一般需要在几十微秒。在这些级别上，通过网络中每个组件的延迟是至关重要的。以太网物理层PHY的延迟控制周期时间是非常关键的限制因素。
 

PHY内部设计，TI

 
在1000Base-T、100Base-TX等以太网中，操作延迟更小的PHY可以提高周期时间。更小的延迟可以将周期时间提高到和更快传输速率以太网相同的级别，这相当于变相增加了网络带宽。目前大多数工业以太网应用程序在100Base-TX以太网中运行，但很多应用也正在开始转移到1000Base-T，1000Base-T以太网可以提供更高的带宽。延迟更低的PHY变相增加了网络带宽，也能很顺利地帮助以太网向更高数据速率转变。
 
工业以太网演进下的PHY其他挑战
 
温度是工业场景中很难控制的，更严苛的温度条件也给PHY设计增加了不少难度，PHY需要在很宽的温度范围内保证发挥出其额定性能。一般来说工业以太网PHY应能够在－40至85℃的温度范围内工作，并需要承受125℃的最大结温。
 

Marvell

 
功耗也是一个在任何时候都很重要的因素，尤其是在千兆位的PHY中，其功耗对系统的总功耗会产生重大影响。留给以太网物理层的功耗预算不会太多，而且每个互联设备都是需要两个以太网物理层，功耗需要够低才能满足整个设备的连接要求。有的厂商在低功耗PHY之外还会选择用双电源操作来实现更低的功耗。
 
小结
 
随着工厂自动化系统复杂性的不断增长，在节点与节点之间传输更多数据的需求不断增加，在工厂中维持高性能互联将变得愈发重要。不受恶劣工业环境影响的PHY 硬件连接对于工业互联网络的实现很有价值。