探索工業(yè)應(yīng)用中邊緣連接的未來(lái)

我們的世界正變得更加智能且緊密相連，樓宇和工廠正以前所未有的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了確保這些新系統(tǒng)有效運(yùn)行，可靠的信息通信至關(guān)重要——這不僅體現(xiàn)在工業(yè)控制面板內(nèi)部，也包括遍布整個(gè)場(chǎng)所的各種設(shè)備之間的通信。

直到最近，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)還很復(fù)雜，可能需要使用各種協(xié)議和網(wǎng)關(guān)。這可能既昂貴又不可靠，難以確保應(yīng)有的互聯(lián)互通能力。

然而，隨著10BASE-T1S以太網(wǎng)的出現(xiàn)，一場(chǎng)變革正在發(fā)生。這一創(chuàng)新標(biāo)準(zhǔn)取代了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了多種優(yōu)勢(shì)，并消除了對(duì)網(wǎng)關(guān)的需求。

支持新標(biāo)準(zhǔn)的一系列設(shè)備，如安森美的工業(yè) 10BASE- T1S 以太網(wǎng)控制器，為連接雙絞線 (TP) 提供了可靠有效的單芯片解決方案。

工業(yè)應(yīng)用中的可靠連接

雖然工業(yè)機(jī)柜內(nèi)的距離相對(duì)較短，但要在工業(yè)應(yīng)用中提供可靠的連接卻極具挑戰(zhàn)性，特別是由于存在大量的電氣噪聲。大型配電盤(pán)、電機(jī)和許多其他大電流/高電壓設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生一定程度的電磁干擾，從而破壞網(wǎng)絡(luò)通信。

在辦公應(yīng)用中，由于中斷造成的數(shù)據(jù)傳輸緩慢會(huì)令人沮喪或不便。然而，在工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸至關(guān)重要，尤其是來(lái)自控制機(jī)器運(yùn)行的遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)延遲或不正確，可能會(huì)違反流程參數(shù)，更有甚者會(huì)損壞生產(chǎn)設(shè)備。

出于同樣的原因，及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)變得尤為重要。這就不適用于那些基于隨機(jī)超時(shí)來(lái)協(xié)商總線訪問(wèn)權(quán)限的協(xié)議。

10BASE-T1S如何應(yīng)對(duì)最新的工業(yè)連接挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施常被形容為一個(gè) "堆棧"，最底層是物理實(shí)現(xiàn)（布線/媒體），其上是日益復(fù)雜的軟件。在工廠 4.0 應(yīng)用中，人工智能 (AI)、機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)、規(guī)劃、執(zhí)行、自動(dòng)化、跟蹤、庫(kù)存控制、監(jiān)督控制等位于頂層。最底層（物理層）是工廠車間，包括機(jī)器人、執(zhí)行器、運(yùn)動(dòng)傳感器和閥門(mén)在內(nèi)的邊緣節(jié)點(diǎn)在這里執(zhí)行實(shí)體制造工作，通常覆蓋多條裝配線。

圖1 10BASE-T1S消除了對(duì)非以太網(wǎng)協(xié)議和相關(guān)網(wǎng)關(guān)的需求

堆棧頂層的通信通常是通過(guò)多千兆位以太網(wǎng)局域網(wǎng)進(jìn)行的。然而，工廠車間的通信往往是由多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議（包括 HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-Bus 和 CAN）組成的零散網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)一對(duì)雙絞線（可能是屏蔽線或非屏蔽線）以兆位或更低的速率運(yùn)行。

為了使其成為一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)來(lái)工作，需要在以太網(wǎng)部分和其他協(xié)議之間安裝網(wǎng)關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致通信碎片化，增加了成本和復(fù)雜性。 一種新型以太網(wǎng)將顯著增強(qiáng)智能樓宇和工廠應(yīng)用中的邊緣連接。

2019年IEEE 802.3cg規(guī)范的批準(zhǔn)帶來(lái)了10BASE-T1S。該標(biāo)準(zhǔn)基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，但有幾點(diǎn)重要差異，提供了10Mb/s的吞吐量、具有確定性沖突處理機(jī)制的多點(diǎn)操作。該標(biāo)準(zhǔn)能在非屏蔽單對(duì)雙絞線（SPE）上運(yùn)行，從而極大簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程并降低了成本。

確定性操作對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)閷?shí)時(shí)系統(tǒng)必須在已知時(shí)間內(nèi)傳輸信息。傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用的 CSMA/CD （載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)），采用隨機(jī)時(shí)間周期，因此無(wú)法保證通信時(shí)間的確定性。

10BASE-T1S 使用一種稱為 PLCA（物理層沖突避免）的新系統(tǒng)，可避免總線上的數(shù)據(jù)沖突。在 PLCA 下，由節(jié)點(diǎn)0（協(xié)調(diào)器）發(fā)送2.0μs信標(biāo)同步網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后，節(jié)點(diǎn)0獲得傳輸機(jī)會(huì)。如果沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)，則在默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn) 3.2 微秒內(nèi)將機(jī)會(huì)傳遞給節(jié)點(diǎn) 1。如此循環(huán)往復(fù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依次獲得一次發(fā)送機(jī)會(huì)。循環(huán)結(jié)束后，協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)信號(hào)，新的循環(huán)開(kāi)始。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過(guò)允許的幀大小，那么 "jabber "功能就會(huì)中斷傳輸并將傳輸機(jī)會(huì)傳遞給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而確保總線不會(huì)被阻塞。 

通過(guò)使用PLCA，最壞情況下的媒體訪問(wèn)延遲可以通過(guò)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)量與最大網(wǎng)絡(luò)幀大小的乘積來(lái)計(jì)算，這是可以調(diào)整的。

許多工業(yè)應(yīng)用都處于惡劣的電磁環(huán)境中，開(kāi)關(guān)設(shè)備、電機(jī)和其他大型設(shè)備會(huì)產(chǎn)生輻射和傳導(dǎo)噪聲。盡管使用的是非屏蔽雙絞線，但與現(xiàn)有的以太網(wǎng)協(xié)議相比，10BASE-T1S提供了出色的電磁兼容性（EMC）性能。

這部分歸功于 PLCA 的應(yīng)用。由于總線已知是無(wú)沖突的，當(dāng)環(huán)境中存在高水平噪聲時(shí)，物理層接收器能夠使用復(fù)雜的算法來(lái)檢測(cè)或恢復(fù)信號(hào)。

安森美的以太網(wǎng)控制器：增強(qiáng)連接性

隨著 10BASE-T1S 協(xié)議的推出，新器件針對(duì) 10BASE-T1S 進(jìn)行了優(yōu)化，使設(shè)計(jì)人員能夠充分利用新特性。例如，安森美的 NCN26010 是一款符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)收發(fā)器，它集成了媒體訪問(wèn)控制器 (MAC)、PLCA 調(diào)和子層 (PLCA-RS) 和適用于工業(yè)多點(diǎn)以太網(wǎng)的 10BASE-T1S 物理層。該器件內(nèi)置了通過(guò)單根非屏蔽雙絞線收發(fā)數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能。

圖2 NCN26010基本框圖，標(biāo)示了外部元器件

盡管集成了MAC、PLCA和PHY（包括TX+RX），該器件卻可封裝在一個(gè)小巧的4mm x 4mm QFN32封裝內(nèi)，并且僅需單一的3.3V電源供電。其時(shí)序是由外部25MHz晶體振蕩器或外部25MHz時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)。與主機(jī)的通信則通過(guò)Open Alliance定義的OA SPI接口進(jìn)行。

此外，NCN26010 還具有增強(qiáng)抗噪（ENI）功能，可將抗噪能力提高到高于 10BASE-T1S 規(guī)范要求的水平。這大大提高了嘈雜工業(yè)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)性能。

安森美于 2024 年 4 月發(fā)布了專為工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的 NCN26000 10BASE-T1S 以太網(wǎng)收發(fā)器 (PHY)。它與早期的 NCN26010 有很多相同之處，包括符合 IEEE802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò) SPE 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、半雙工 10 Mb/s 數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖3 NCN26000詳細(xì)內(nèi)部框圖

這兩款器件的主要區(qū)別在于，NCN26000 在一個(gè) 5mm x 5mm QFN 封裝中僅包含 PLCA-RS 和 PHY（TX + RX）。NCN26000 還需要 3.3 V 電源和 25MHz 外部時(shí)鐘。

NCN26000具有符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的媒體獨(dú)立接口（MII），能夠連接至任何具有CRS和COL引腳的CSMA/CD半雙工功能的MAC，MII 還可用于配置和監(jiān)測(cè)器件（稱為 MDIO）。

這兩款器件都集成了安森美的 ENI 功能，可顯著提高 10BASE-T1S 多點(diǎn)應(yīng)用在電噪聲環(huán)境中的性能。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試時(shí)，這兩款器件輕松超過(guò)了 25 米內(nèi) 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)的最低要求。事實(shí)上，進(jìn)一步的測(cè)試表明，ENI 可在 25 米處支持約 40 個(gè)節(jié)點(diǎn)，在 50 米處支持 16 個(gè)節(jié)點(diǎn)，在 60 米處支持 6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，輕松超過(guò)了 IEEE 規(guī)范的要求。

應(yīng)用和部署場(chǎng)景

10BASE-T1S 不僅具有確定性工作的特點(diǎn)，其基于非屏蔽單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）線纜，部署成本相對(duì)較低。10BASE-T1S 的更低成本和更簡(jiǎn)單的集成有助于為以前受預(yù)算或封裝限制的應(yīng)用帶來(lái)廣泛的可能性。其中一個(gè)例子是，在復(fù)雜的工業(yè)自動(dòng)化中，通過(guò)將以前獨(dú)立的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)，連接到集中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。以前可用的連接方法可能過(guò)于昂貴或難以集成，而 10BASE-T1S 則克服了這些障礙。在新的機(jī)器人或自動(dòng)化解決方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，也會(huì)遇到類似的成本和封裝挑戰(zhàn)，10BASE-T1S 可以再次幫助實(shí)現(xiàn)更高的互連性，而不會(huì)影響性能或增加預(yù)算。

隨著樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷發(fā)展，10BASE-T1S 可用于控制面板、人機(jī)界面 (HMI)、傳感器、執(zhí)行器和照明等應(yīng)用，為整個(gè)樓宇提供高速可靠的主干網(wǎng)。

在工業(yè)應(yīng)用中，性能和成本很重要，而抗噪聲能力則尤為重要。在這里，10BASE-T1S 可用于連接從控制柜到可編程邏輯控制器 (PLC)、傳感器、接觸器和其他任何適當(dāng)配備 10BASE-T1S 接口的器件。

結(jié)論

直到最近，由于邊緣設(shè)備常用的各種協(xié)議相互之間不兼容，自動(dòng)化工廠的網(wǎng)絡(luò)需要在邊緣設(shè)備和主以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)之間安裝許多網(wǎng)關(guān)。通常情況下，這些現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議包括 HART、RS-485、Mod-bus、DeviceNet、Profi-Bus 和 CAN，每種協(xié)議都需要各自的網(wǎng)關(guān)。這就增加了成本和復(fù)雜性，尤其是每個(gè)網(wǎng)關(guān)都需要軟件更新和維護(hù)。

隨著 10BASE-T1S 的出現(xiàn)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)得以簡(jiǎn)化，同時(shí)性能也得到了提高。不再需要網(wǎng)關(guān)的存在，邊緣連接也從低于 1Mb/s 的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)變?yōu)?0Mb/s 的確定性以太網(wǎng)。

安森美擁有一系列適用于新協(xié)議的產(chǎn)品，其中包括兩款符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的控制器。憑借其獨(dú)特的 ENI 功能，它們能夠成功地部署在噪音最大的環(huán)境中，甚至可以在 25 米的線路上連接多達(dá) 40 個(gè)節(jié)點(diǎn)，是標(biāo)準(zhǔn)要求的四倍。