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为什么在工业应用中使用以太网

yls 2021-03-30
  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,就可以在一个支持时间紧迫的通信的单一,无缝,安全和高带宽的网络上监视和控制工厂的所有区域。
  规模化计算和强大的通信基础架构是连接工厂的命脉。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和妥协。在工业4.0时代。
  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。但是,桥接IT和OT网络并实现基于以太网技术的无缝连接的一项关键挑战是在要求时间紧迫性连接的恶劣工业环境中进行部署。
  工业以太网应用和以太网部署挑战
  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中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。
  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在较长的电缆走线上造成包围,从而可能损坏数据并损坏设备。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环境温度环境中运行。本文现在将讨论在连接工厂中部署以太网PHY解决方案的挑战。
  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。
  数据链路层指定了如何在媒体上进行通信,以及发送和接收的消息的帧结构。这仅意味着比特如何从电线上脱下来并变成比特排列,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),它集成到主机处理器或以太网交换机中。
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