如何去实现工业以太网的PoE功能？

　　生产规模的扩大和复杂程度的提高推动着现场总线和现场总线控制系统的发展。从20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统，到七八十年代的集中式数字控制系统，到八、九十年代的集散控制系统（DCS），再到近些年的现场总线控制系统（FCS）。目前已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影响力的有5种，分别是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks。
　　这些纷繁复杂的现场总线在提高系统工业控制系统的性能和自动化程度的同时，也让用户陷入如何选择现场总线、如何延长系统寿命、如何保护已有投资和如何与上层的办公自动化网络连接的困惑当中。
　　工业以太网的推出，有助于解决上述问题。工业以太网在技术上与商用以太网（IEEE802.3标准）兼容，但材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要。工业以太网技术的优点表现在：以太网技术应用广泛，得到所有的编程语言的支持；软硬件资源丰富；易于与Internet连接，实现办公自动化网络与工业控制网络的无缝连接；可持续发展的空间大等等。
　　随着以太网设备（集线器、交换机、收发器等）的价格降低（每年约下降10%“15%），越来越多的用户、厂商、集成商在使用带以太网接口的产品。IEC已经通过了14种推荐的工业以太网标准。用户可以按照自己的要求，选择不同的以太网协议和相关的产品，而且不同的以太网产品可以在同一个以太网上共存。
　　相对于传统的商用网络，工业以太网要解决要解决以下主要问题：环境适应性、可靠性、本质安全与安全防爆、便于安装。
　　典型的工业以太网采用冗余以太网光纤环路架构。主要产品有集线器、传输介质转换模块（光电转换）、以太网交换机（管理型和非管理型），以及连接器、电缆光缆等。
　　纷乱的标准与一网到底
　　以太网并不是为实时应用而设计的，这是它的先天缺陷。以太网由于采用CSMA/CD的介质访问控制机制，而具有通信不确定性的特点，并一度成为它应用于现场总线的主要障碍。因此，仅仅通过采取一些措施，提高以太网设备应用的可靠性和环境适应性，工业以太网仍然没有能够解决通信实时性问题。
　　工业以太网技术的不足还在于：缺乏统一的工业以太网硬件标准，在线缆，接插件等方面均无统一标准；没有统一的工控的应用层协议，由于以太网技术规范只定义了物理层和数据链路层，在其上的网络层和传输层协议，目前以TCP/IP协议为主。
　　为此，各大公司都在研究基于以太网的通信确定性和实时性问题，并取得了一些重要成果，其中有些成果已通过了工业现场的实际应用验证。
　　目前现场总线体系中，基于以太网的通信协议除了现场总线应用行规国际标准IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，还包括EPA、EtherCAT、Ethernet PowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等标准。
　　众多的标准使最终用户“一网到底”的愿望还只能是愿望，而且工厂网络各层之间的连接往往通过采用PC、PLC或其他专用设备作为网关加以实现，而这些网关造成了同质网络之间的相互隔离。
　　替代性的解决办法是可以指定惟一一种标准协议，在此基础上实现一网到底；二是做到实时域与非实时域的隔离。为了保证实时域与非实时域之间、一个实时域和另一个实时域之间不相互干扰，必须对实时域与非实时域进行隔离。比如一个PowerLINK的实时网络在连接到上一级网络时必须采用EPL网关，这个网关对于以太网协议是透明的，只是将实时报文和同步信息限制在实时域中；三是在工业网络与企业网络之间、在有线网络和无线网络之间、企业网络和INTERNET之间采用防火墙。
　　以太网存在实时数据和非实时数据竞争网络资源的情况，但是随着以太网交换机的引入、合适的调度策略的应用，一定程度上缓解了这种现象并可能最终得到解决。对于多播问题，可采用CGMP（思科组管理协议）、IGMP Snooping（互联网组管理协议窃听）和GMRP（GARP多播注册协议）来解决。
　　由于目前企业内传统仪器仪表占绝大多数，一些公司已经开发出以太网接口模块，比如研华公司的端口服务器系列如ADAM-457×/EDG-450×，可以把支持串行通信的传统设备直接连入以太网；除了支持虚拟串口传输方式，还支持TCP/IP协议。
　　
　　图1，工业以太网交换机。
　　工业以太网产品必须与其他联网设备集成才能真正发挥技术优势，已经有一些厂商推出“工业联网解决方案”，如研华公司提出了“Connect to the eWorld”以及“Ethernet links anywhere”的工业设备联网解决方案。
　　工业以太网交换机和控制器
　　针对工业以太网应用场合，SMSC公司提供了PHY芯片LAN8700iC-AEZG和LAN8187i。这些PHY芯片的ESD等级为±15KV，可传输电缆长度为150米，兼容10/100Base-T，工作温度范围-40”+85℃，集成的1.8V“3.3V稳压器可实现单电源工作，flexPWR技术用于功率管理，根据IEEE 802.3ab标准提供HP Auto-MDIX功能，自动极性检测，支持自动协商和并行检测（图2）。
　　
　　图2，PHY芯片LAN8700iC-AEZG的功能框图。 SMSC公司的交换机芯片有LAN9313i和LAN9311i。（LAN9313i是三端口工业级以太网交换芯片，LAN9311i是双端口芯片，具有IEEE 1588硬件时间戳单元，非常适合小型工业应用场合，工作温度范围-40℃～+85℃。可通过SPI/I2C或SMI接口进行管理，独特的虚拟PHY功能将多个端口模仿成一个端口，提供QoS包优先级、速率限制、IGMP Snooping和管理功能。
　　Micrel的解决方案包括PHY芯片KSZ8721Bi和KSZ8721BLi，此两款芯片均为10/100 BASE-TX/FX工业级PHY芯片，提供LED指示输出。KSZ 8993MLI是3端口10/100 BASE-T工业级非网管型交换芯片，KSZ 8893FQ/MB/MQi这三款芯片均为3端口10/100BASE-T工业级网管交换芯片。
　　和商用以太网交换机类似，工业以太网交换机也分为网管型和非网管型，且多为二层交换机。工业以太网交换机硬件主要由接口、交换和控制模块组成，目前有多种实现方案。交换模块主要由PHY和交换芯片组成（也有集成了PHY和交换芯片在一起的），控制模块通常由主控处理芯片以及外围电路组成，也有FPGA厂商提供一些ASIC/ASSP以优化和提高工业交换机的灵活性。典型的应用框图如图1。
　　MCF5223x系列68K/ColdFire器件是单芯片解决方案，可以提供32位控制和以太网接口。223x将10/100快速以太网控制器（FEC）和以太网物理层（PHY）与V2 ColdFire内核整合到了一起，以合理的价格实现了出色的性能。MCF5223x系列整合了标准68K/ColdFire外设，包括：三个通用异步接收器/发射器（UART），用于实现中/长距离连接；一个I2C和队列SPI，用于实现与连接外设的系统通信。
　　在工业以太网交换机中采用主控处理器可以实现更为复杂的协议控制等功能。针对相对简单和低端的应用，可以采用Atmel基于ARM9系列的AT91SAM9xx系列，以及Freescale基于Coldfire的MCF5223x系列，均有多款工作温度范围为-40 ” +85℃的芯片。
　　针对更为复杂控制处理功能，可以使用Freescale基于Power PC的MPC7XX和MPC8XX，这是工业级高性能网络处理的典型处理器。以上方案全部采用工业级芯片，端口配置适中，软硬件设计方案和技术支持比较成熟，性价比较高。
　　工业以太网PoE功能实现
　　在工业以太网中附加PoE功能更能突显PoE技术的优势。一个完整的PoE供电系统包括PSE（Power sourcing equipment 和PD（Powered Device）两部分。PSE是为PD端供电的设备，同时也是整个PoE以太网供电过程的管理者，而PD设备则是接受PSE供电的负载。在PoE系统中，PSE首先会检测PD终端是否为一个支持IEEE 802.3af或者IEEE802.3at标准的受电设备，然后对其进行优先级分类；在供电过程中，PSE会先向PD提供一个小电压，然后逐步提升到48V的稳定直流电；当PD从网络上断开或遇到PD设备过载、短路、超过PSE的供电负荷时，PSE会断开电源并再次启动检测过程。PD通过自己的接口控制电路和DC-DC转换电路将PSE 提供的电源转换成PD设备所需的电源。图3是一个POE系统的典型框图，客户可以根据需要决定采用数据对还是空闲对传送。
　　
　　图3，PoE系统实现框图。 PD控制器可采用National Semiconductor的LM5072MH-50和LM5072MH-80、TI公司的TPS23754、Maxim公司的MAX5941AESE+T、MAX5942AESE+T和MAX5942BESE+T。
　　目前，各主流芯片厂商如TI、Linear Technology、NationalSemiconductor、ONSemi、MAXIM都可以提供工业级PoE 解决方案。
　　PSE控制器可采用TI公司的TPS23841PJD和TPS23841PAP、MAXIM公司的MAX5952AEAX+和MAX5952CEAX+。
　　工业以太网附件
　　附件是指工业以太网构架中使用的连接器，光缆电缆和变压器。工业以太网附件具有其独特特性和制造工艺，需要满足对环境适应性、可靠性和安全防爆的要求。
　　在办公室中，RJ45、Cat 5e/6连接器、交换机和UTP电缆可满足使用要求。在工业环境中进行布线和连接时，标准RJ45插座和插头不能适应车间的恶劣环境：高温、强烈的振动条件、感应磁噪声、水洗过程、油污、污染物和很多其它条件。但是对于铜介质，RJ45接口仍然是以太网物理层设计的标准。
　　工业以太网解决方案包括工业以太网RJ45隔舱式连接器、转接线和不锈钢面板。隔舱式连接器符合针对以太网/TP的ODVA（Open Devicenet Vendor Association，开放设备网络供应商协会）规范等标准，如ODVA的CIP—— 针对工业以太网的通用工业协议，隔舱式连接器具有IP67级别。
　　工业级电缆也是非常重要的一部分。由于油和温度分级，标准单股或多股UTP电缆的外套的外径比现场端接的或长度有限的转接线更大。下面介绍几款典型产品。
　　EPCOS公司的以太网变压器B78476A8248A003可在-40℃“+85℃温度范围内工作，隔离电压为1500V，提供单、双和四端口方案，可用于10/100 Base-T和1000 Base-T以太网，在10/100 Base-T网络中可提供PoE功能，符合IPC/JEDEC J-STD-020C规范和RoHS指令，对所有主要的收发器进行了优化。B78476A8252A003是用于1000 Base-T的变压器，特性与B78476A8248A003基本相同，不支持PoE功能。B78476A8247A003可用于10/100 Base-T以太网，不支持PoE功能。
　　对以太网RJ45密封连接器，可选用Tyco公司的1776186-1，包括迷你型圆形外壳和RJ-45插座，可插拔250次，额定电流/电压为1.5A/125Vdc，满足IP67的密封性要求。110穿孔和防水通过型是5e类，直接PCB安装插座符合5类要求。
　　Amphenol公司的RJ45密封连接器RJF21B具有防尘和防水特性，防护等级达到IP67，能耐受振动、冲击和拉扯。在现场安装时不需要穿线，也不用使用任何工具。
　　Bulgin公司同时也提供以太网密封电缆，可选用PX0837/2M00、PX0837/3M00和PX0837/5M00。这些电缆可耐受油和阳光、温度变化、磨损与变形、EMI/RFI。
　　工业以太网所用到的器件大多是工业级的，而且批量小。小批量电子分销商能够提供更好的服务，如派睿电子，他们正在扩展其“360°设计整合采购方案”，针对工业以太网产品设计提供全方位的芯片、配件解决方案和技术支持，可为用户提供一站式、翌日到货服务。