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工業乙太網演進的PHY解決方案
因應工業環境挑戰

【作者: Winnie Wu】   2017年11月09日 星期四

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現代工業環境充斥著複雜的自動化與製造技術,網路連接是使其基本運作的關鍵所在。工業網路通常包括可程式設計邏輯控制器(PLC)、電機控制和驅動、以及感測器網路與人機介面(HMI)。乙太網技術將工業網路中的所有節點連接起來,在網路上傳遞精確控制和同步時鐘等資訊。裝配線高速機器人是工廠應用乙太網的一個例子,透過即時協調節點移動,確保成品以完好無缺的方式包裝。



圖1 : (source: pensacolastate.edu)
圖1 : (source: pensacolastate.edu)

與在辦公網路的企業應用中部署乙太網不同,工業網路有更多不良的物理與電子環境,而這帶來了一系列特殊的挑戰。乙太網元件和IEEE 802.3系列標準正在不斷發展,以滿足工廠間的特殊需求。高溫的環境、突波電壓、嚴格的低延遲要求與不斷成長的網路速度是工業級乙太網PHY(實體層設備或者收發器)必須解決的關鍵挑戰。


在極端環境中工作

在工業環境中,溫度很難控制,因為透過乙太網連接的電機和機器人通常必須在非常高的溫度下焊接金屬,此外,工廠的建築結構也難以提供良好的通風條件。為滿足工業環境的需求,PHY必須被設計成在很寬廣的溫度範圍內能夠發揮出其額定性能。例如,工業乙太網PHY應能夠在-40°C至85°C的溫度範圍內工作,可承受125°C的半導體溫度,即使環境溫度持續數小時高溫也能保持性能不變。


除了在高溫下工作,PHY還應能承受高壓突波。機械設備有時會突然聚積電荷,損壞部件並導致工業系統出現故障。透過增強靜電放電(Electrostatic Discharge; ESD)保護電路,PHY可以適當保護工業環境免受電荷波動的破壞。



圖2 : (source: Belden)
圖2 : (source: Belden)

在工業環境中實現高性能乙太網的另一個挑戰是,即時應用對延遲有非常嚴格的限制。在線性菊花鏈拓樸中,每個節點的延遲要非常小,才能保證整個網路滿足快速請求和回應週期時間要求。為滿足工業網路的即時要求,PHY應具備低延遲和確定性延遲特性。在菊花鏈下低延遲能實現更快的回應,而確定性延遲實現跨網路單元的精確定時同步。與未經最佳化的方案相比,最佳化後的PHY能夠將延遲降低30%至40%,並提高效率和效能。


滿足不斷成長的網路速度要求是工業PHY的另一個關鍵特性。雖然百兆的速度足以滿足當今大多數工廠應用的需求,但是要求能夠支援千兆電介面的需求越來越多。由於工業設備和網路的安裝成本很高,因此PHY設備能夠支援高達千兆的網路速度要求,以適應未來的解決方案。


工業解決方案的現狀和未來

工廠變得更加智慧以及網路化,而一些專家認為第四次工業革命正在發展。然而隨著不斷出現的工業創新,顯示出在工廠中維持高性能互相聯接變得越來越重要。連接延遲、中斷或故障皆可能使生產減緩甚至停產,而導致收入損失。不受惡劣工廠條件影響的硬體連接,對於工業網路而言非常有價值。


Marvell的88E1512P、88E1510Q和88E1548P PHY系列產品專為滿足即時工業乙太網的嚴格要求而設計,可用於千兆獨立和交換系統的快速開發和部署。Marvell的PHY系列解決方案提供增強靜電放電(ESD)保護、低延遲和確定性延遲特性,並具備在擴展溫度範圍內工作的能力,保證工業網路能夠長期保持性能穩定。


Marvell的收發器符合1000BASE-T、100BASE-TX和10BASE-T標準,滿足工廠目前和未來的網路速度要求。該系列還支援採用新一代MAC的節能乙太網(EEE,Energy Efficient Ethernet)。這系列PHY產品提供48管腳、56管腳QFN封裝或196管腳TFBGA封裝,以及各種主機介面選擇,例如RGMII、MII和SGMII。


此外,Marvell也提供配合PHY產品系列的Prestera和Link Street交換器晶片和ARMADA嵌入式系統晶片。


(本文作者Winnie Wu任職Marvell 產品行銷總監)


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