誰在為工業(yè)以太網(wǎng)的穩(wěn)定可靠保駕護航？

從1973年以太網(wǎng)誕生開始，這個世界就注定將變得更加五彩斑斕。在百兆、千兆、萬兆等各種標準的推動下，如今以太網(wǎng)已經(jīng)成為了應用最廣泛的LAN協(xié)議和國際計算機行業(yè)標準。隨著工業(yè)從3.0步入4.0時代，以太網(wǎng)也逐漸從人們的日常生活向工業(yè)領域邁進。

“把設備連接成一個可以相互通信的網(wǎng)絡”，這個想法其實早在工業(yè)3.0時代就已出現(xiàn)。上個世紀70年代開始，人們便著手研發(fā)各種不同種類的工業(yè)現(xiàn)場總線，但由于缺乏統(tǒng)一、開放的通信標準，不同現(xiàn)場總線之間通信困難的問題難以解決。為了突破這一技術瓶頸，工業(yè)以太網(wǎng)應運而生。

圖1：主流工業(yè)以太網(wǎng)

（圖源：智能制造之家）

雖說工業(yè)以太網(wǎng)就是將普通以太網(wǎng)應用到工業(yè)控制系統(tǒng)，但從專業(yè)角度看，工業(yè)以太網(wǎng)是建立在IEEE802.3系列標準和TCP/IP上的分布式實時控制通信網(wǎng)絡，適用于數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸速度要求較高、實時性高的場合。目前主流工業(yè)以太網(wǎng)包括PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII等。

圖2：云基礎設施

（圖源：ADI）

與普通以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢十分明顯：

一是應用廣泛。基于TCP/IP的以太網(wǎng)是一種標準的開放式網(wǎng)絡，可解決控制系統(tǒng)中不同廠商設備的兼容和互操作的問題，如VB、Java、VC等編程語言都可以支持其應用開發(fā)。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，就可以選擇多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境。

二是通信速率高。相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12M，高速以太網(wǎng)的通信速率可以高達100M或1,000M，目前10G的以太網(wǎng)技術也逐漸成熟，可以滿足對帶寬的更高要求。

三是成本低廉。由于以太網(wǎng)應用廣泛，因此具有豐富的軟硬件資源，而其網(wǎng)卡的價格只有現(xiàn)場總線的十幾分之一，并隨著技術發(fā)展還會進一步下降。

四是可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆９I(yè)控制網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡技術共同發(fā)展，保證了以太網(wǎng)技術的持續(xù)發(fā)展。

憑借這些優(yōu)勢，工業(yè)以太網(wǎng)深受廣大用戶歡迎。HMS Networks研究顯示，工業(yè)網(wǎng)絡市場預計在2022年將增長8%，其中工業(yè)以太網(wǎng)顯示出最高的增長，現(xiàn)占據(jù)新安裝節(jié)點的66%。

然而，正如世界上沒有一個十全十美的人，工業(yè)以太網(wǎng)也并不是完美無缺的。上述提到，工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)是將普通以太網(wǎng)應用到工業(yè)控制系統(tǒng)，但普通以太網(wǎng)在設計之初，是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮到工業(yè)控制的應用需求，因此想要讓以太網(wǎng)適配工業(yè)領域，仍有許多問題亟待解決。

一方面，普通以太網(wǎng)所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的，未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，所以當這些商用網(wǎng)絡設備部署于工業(yè)現(xiàn)場時，不具備基本的安全性能，面對嚴重的電磁干擾等惡劣的工作環(huán)境，就會產(chǎn)生開放性、同步性、可靠性、抗干擾性及安全性等諸多方面的問題。

另一方面，工業(yè)現(xiàn)場中工廠或機械的工藝應用要求決定了工業(yè)以太網(wǎng)需要具備實時性，尤其在一些高精度的控制系統(tǒng)中，但普通以太網(wǎng)是“盡力而為”的傳輸，顯然不具有實時性。

總而言之，工業(yè)環(huán)境的確定性決定了工業(yè)以太網(wǎng)必須可靠穩(wěn)定，而以往的商用網(wǎng)絡設備顯然無法滿足這個要求，亟需新的、優(yōu)秀的工業(yè)網(wǎng)絡器件。本文將以業(yè)界多家廠商的產(chǎn)品為例來說明不同元件對工業(yè)以太網(wǎng)可靠性與穩(wěn)定性的貢獻。

以太網(wǎng)連接器

以太網(wǎng)連接器指的是用于以太網(wǎng)領域的數(shù)據(jù)連接器。在工業(yè)自動化設備中，控制系統(tǒng)、傳感器、網(wǎng)絡通信等均需要用到以太網(wǎng)連接器。

與傳統(tǒng)連接器相比，工業(yè)以太網(wǎng)連接器體積更小，傳輸速率更高，為以太網(wǎng)絡中傳感器微型化節(jié)省空間的同時，還可以提供經(jīng)濟高效的鏈接。更重要的是，為了避免受到惡劣工業(yè)環(huán)境的影響，工業(yè)以太網(wǎng)連接器的防護等級和屏蔽性能都大幅提升，即便是在水侵和腐蝕性的環(huán)境中，依然可以保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

當前，為滿足工業(yè)設備不斷升級的技術要求，工業(yè)以太網(wǎng)連接器的防護等級、傳輸速度、易操作性等性能也在日漸提高，并隨之出現(xiàn)了單對工業(yè)以太網(wǎng)（SPE）連接器、屏蔽雙排PCB連接器等。

其中，SPE連接器是一個更新的應用于工業(yè)以太網(wǎng)的連接方案。最初，SPE技術的開發(fā)只是為了滿足汽車行業(yè)對于更小、更輕電纜和連接器的需求，然而隨著技術的發(fā)展，人們開始發(fā)現(xiàn)它在工業(yè)應用中的潛力，可以很好地解決工業(yè)無線網(wǎng)絡中出現(xiàn)的特殊問題。比如：在大型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，以太網(wǎng)電纜束體積和重量不斷增大，使得在工業(yè)運輸應用中不得不對卡車、客運、貨運列車以及飛機等運輸工具予以補償，不僅增加成本，還減緩設置時間。

而SPE技術只通過一對雙絞線提供高速數(shù)據(jù)傳輸以及電源，傳輸速度可以達到1Gbps，傳輸距離也可以達到1km，可大幅度降低現(xiàn)場布線的成本，提高靈活性。還保留了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的開放性、可靠性和對于多種應用的靈活性，真正實現(xiàn)了一個低姿態(tài)、經(jīng)濟高效、易于安裝的系統(tǒng)，并增強了數(shù)據(jù)分析和更快的錯誤響應，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展開辟了全新的可能性和應用領域。

以Phoenix Contact SPE連接器為例，作為經(jīng)典串行總線系統(tǒng)的替代方案，這款連接器憑借單單對線進行數(shù)據(jù)傳輸，同時集成PoE供電功能。通過以太網(wǎng)為工廠和流程自動化提供并行的高性能數(shù)據(jù)和電力傳輸。該系列具有范圍遠達1,000M的靈活性和高達1Gbps的傳輸特性，應用范圍包括樓宇和工廠自動化、機器人技術、鐵路行業(yè)和照明等。

圖3：Phoenix Contact  SPE連接器

（圖源：貿(mào)澤電子）

據(jù)悉，Phoenix Contact作為單對以太網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)盟的創(chuàng)始成員之一，在開發(fā)具有IP20至IP6x防護等級的標準化SPE連接器上取得了決定性進展。上述Phoenix Contact SPE連接器將取代傳統(tǒng)的串行總線系統(tǒng)，實現(xiàn)從傳感器到“云端”一網(wǎng)到底的數(shù)據(jù)連接方案。

而屏蔽雙排PCB連接器則具有EMC屏蔽功能。EMC（電磁兼容性，Electro Magnetic Compatibility）指的是設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行，并不對其環(huán)境中任何設備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾能力。眾所周知，各種運行的電子設備之間的干擾主要以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式彼此關聯(lián)并相互影響，在一定的條件下，就會對運行的設備和人員造成干擾、影響和危害。

Phoenix Contact DMCC雙排屏蔽型PCB連接器就具有EMC屏蔽功能，可為器件提供可靠的數(shù)據(jù)和電源，包括通過單條以太網(wǎng)電纜（以太網(wǎng)供電）。該系列連接器腳距為2.54mm，電流高達6A，電壓高達160V，與CAT5兼容，適合用于以太網(wǎng)供電（PoE），通過一條電纜可以借助PoE節(jié)省空間，同時為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和電源。

圖4：Phoenix Contact  DMCC雙排屏蔽型PCB連接器

（圖源：貿(mào)澤電子）

除此之外，該系列連接器還具備鍍金觸點，能夠?qū)崿F(xiàn)高傳輸質(zhì)量和長期穩(wěn)定性，并且元件尺寸小，能夠適用于空間至關重要的應用。

電阻器

工業(yè)以太網(wǎng)在為設備之間的互聯(lián)提供更便利連接方案的同時，也對其電路保護提出了更高的要求。電路保護不僅有助于電子設備保持其設計功能，還可以增強可靠性。

雖然電阻器本身并不是保護器件，但在多個不同保護器件組合構(gòu)成的防護電路中，也可以起到配合的作用。像電流檢測電阻器就可以用來測量“多大”電流在電路中流動，以及當電流“過大”或出現(xiàn)故障時及時做出判斷。如果電流超過了安全限值，滿足軟件或硬件互鎖條件，就會發(fā)出“關掉設備”信號。

由于其特性，電流檢測用低電阻器往往使用數(shù)歐姆以下的較小電阻值，比如國巨PE系列低TCR電流檢測電阻器這類符合AEC-Q200標準的低電阻溫度系數(shù)電阻器。據(jù)介紹，該系列電阻器具有高可靠性和0.5%、1%或5%的容差，非常適合用于汽車、消費品、工業(yè)/電源和新能源等各種應用。

圖5：國巨PE系列低TCR電流檢測電阻器

（圖源：貿(mào)澤電子）

不過需要注意的是，一般在使用這類電流檢測電阻器測量電流時，有兩種放置方式，分別為高側(cè)感測，即將電阻放在電源與負載之間；以及低側(cè)感測，即把電阻放在負載和接地端之間。這兩種測量方法各有利弊，需要視情況而做決定。采用高側(cè)電阻的電路需要承受相對較大的共模信號；而在處理非常高的電壓，或在電源電壓可能易于出現(xiàn)尖峰或浪涌的應用中，應優(yōu)先選擇低側(cè)應感測。

圖6：電流檢測電阻器放置方式

（圖源：CSDN）

電纜

當然，可靠穩(wěn)定的工業(yè)以太網(wǎng)也離不開更堅固的電纜。和所有網(wǎng)絡一樣，當干擾存在時，電纜的平衡性和穩(wěn)定性對工業(yè)以太網(wǎng)起著至關重要的作用。

雖然在數(shù)據(jù)傳輸能力方面，工業(yè)以太網(wǎng)電纜與商業(yè)級沒有區(qū)別，但由于工業(yè)環(huán)境存在著EMI，以及溫度、粉塵、濕度等其他在家庭和辦公環(huán)境中不常見的影響因素，因此根據(jù)使用環(huán)境的不同，工業(yè)以太網(wǎng)電纜可能具有不同的額定溫度和護套材料。

比如，輕型工業(yè)電纜的護套質(zhì)量可能比普通以太網(wǎng)電纜更高。又或者，與用于商業(yè)級電纜的聚氯乙烯（PVC）相比，氟化乙烯聚丙烯（FEP）、熱塑性彈性體（TPE）和聚氨酯（PUR）護套材料具有更大的溫度范圍、更好的柔韌性以及耐腐蝕性和耐磨性。

一般來說，5類電纜和5e類電纜比較適合用于辦公室、商業(yè)等環(huán)境，而根據(jù)ANSI/TIA-1005標準所述，6類電纜或者更好的電纜可以用于工業(yè)環(huán)境中的主機或者設備連接，因為與5類電纜和5e類電纜相比，6類電纜不易受串擾和外部EMI噪聲影響。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機

作為以太網(wǎng)連接設備發(fā)展的下一代產(chǎn)品，工業(yè)以太網(wǎng)交換機的功能更多更復雜，除了具備堅固耐用的設計，可運作于嚴苛的工業(yè)環(huán)境中，還具備網(wǎng)絡管理及監(jiān)控功能。當然，隨之而來的要求也更多，比如工業(yè)以太網(wǎng)交換機需要防水、防塵、抗震、抗電磁干擾，以及較高的可靠性要求，保證24小時不間斷長期運行。

與普通交換機的相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機的優(yōu)勢十分明顯，可以構(gòu)建不同的拓撲結(jié)構(gòu)、靈活的組網(wǎng)方式、環(huán)網(wǎng)的自愈能力、以及系統(tǒng)冗余能力。

拓撲是指網(wǎng)絡中電纜的布置，但在工業(yè)以太網(wǎng)中，普遍使用交換機或集線器來實現(xiàn)，拓撲結(jié)構(gòu)一般為星型、環(huán)型、樹型和線型。不同的拓撲結(jié)構(gòu)也帶來了靈活的組網(wǎng)方式。通常，工業(yè)以太網(wǎng)交換機可以支持多種基礎組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如星型、鏈型單環(huán)、雙環(huán)、耦合環(huán)、相切環(huán)、相交環(huán)以及多種結(jié)構(gòu)混合組網(wǎng)。

圖7：拓撲結(jié)構(gòu)

（圖源：方正智芯）

其中，環(huán)網(wǎng)自愈能力就是環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)點。使用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，交換機可以組成環(huán)形網(wǎng)絡，每臺交換機能自動判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當優(yōu)先路徑中斷時自動啟用備用路徑，從而實現(xiàn)快速自愈。

更重要的是，利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機，可以通過組建冗余網(wǎng)絡，提高網(wǎng)絡連接可靠性。而工業(yè)以太網(wǎng)交換機構(gòu)建冗余網(wǎng)絡的方式也是多種多樣，主要分為STP、RSTP、以及環(huán)網(wǎng)冗余RapidRing，每種方式都可以縮短網(wǎng)絡中斷的恢復時間，從而達到工業(yè)環(huán)境對工業(yè)控制網(wǎng)絡可靠性能的超高要求。

寫在最后

從目前的發(fā)展趨勢來看，未來一段時間內(nèi)工業(yè)控制網(wǎng)絡領域仍然將是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線并存發(fā)展，但在工業(yè)以太網(wǎng)快速發(fā)展趨勢下，全面替代現(xiàn)場總線的進程是無可避免的。毫無疑問，工業(yè)以太網(wǎng)的可靠穩(wěn)定性必將成為未來研發(fā)的重點方向，而上述提到的連接器、電阻器、電纜等元件就是其不可忽視的“制勝法寶”。