【導(dǎo)讀】從1973年以太網(wǎng)誕生開(kāi)始，這個(gè)世界就注定將變得更加五彩斑斕。在百兆、千兆、萬(wàn)兆等各種標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，如今以太網(wǎng)已經(jīng)成為了應(yīng)用最廣泛的LAN協(xié)議和國(guó)際計(jì)算機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著工業(yè)從3.0步入4.0時(shí)代，以太網(wǎng)也逐漸從人們的日常生活向工業(yè)領(lǐng)域邁進(jìn)。
“把設(shè)備連接成一個(gè)可以相互通信的網(wǎng)絡(luò)”，這個(gè)想法其實(shí)早在工業(yè)3.0時(shí)代就已出現(xiàn)。上個(gè)世紀(jì)70年代開(kāi)始，人們便著手研發(fā)各種不同種類的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，但由于缺乏統(tǒng)一、開(kāi)放的通信標(biāo)準(zhǔn)，不同現(xiàn)場(chǎng)總線之間通信困難的問(wèn)題難以解決。為了突破這一技術(shù)瓶頸，工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。
圖1：主流工業(yè)以太網(wǎng)
（圖源：智能制造之家）
雖說(shuō)工業(yè)以太網(wǎng)就是將普通以太網(wǎng)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)和TCP/IP上的分布式實(shí)時(shí)控制通信網(wǎng)絡(luò)，適用于數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸速度要求較高、實(shí)時(shí)性高的場(chǎng)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(chǔ)設(shè)施
（圖源：ADI）
與普通以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)十分明顯：
一是應(yīng)用廣泛?；赥CP/IP的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，可解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作的問(wèn)題，如VB、Java、VC等編程語(yǔ)言都可以支持其應(yīng)用開(kāi)發(fā)。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，就可以選擇多種開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)環(huán)境。
二是通信速率高。相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線最高速率只有12M，高速以太網(wǎng)的通信速率可以高達(dá)100M或1,000M，目前10G的以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，可以滿足對(duì)帶寬的更高要求。
三是成本低廉。由于以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，因此具有豐富的軟硬件資源，而其網(wǎng)卡的價(jià)格只有現(xiàn)場(chǎng)總線的十幾分之一，并隨著技術(shù)發(fā)展還會(huì)進(jìn)一步下降。
四是可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同發(fā)展，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。
憑借這些優(yōu)勢(shì)，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(luò)市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2022年將增長(zhǎng)8%，其中工業(yè)以太網(wǎng)顯示出最高的增長(zhǎng)，現(xiàn)占據(jù)新安裝節(jié)點(diǎn)的66%。
然而，正如世界上沒(méi)有一個(gè)十全十美的人，工業(yè)以太網(wǎng)也并不是完美無(wú)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(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)，但普通以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)之初，是以辦公自動(dòng)化為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有考慮到工業(yè)控制的應(yīng)用需求，因此想要讓以太網(wǎng)適配工業(yè)領(lǐng)域，仍有許多問(wèn)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(jī)和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，未針對(duì)較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，所以當(dāng)這些商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，不具備基本的安全性能，面對(duì)嚴(yán)重的電磁干擾等惡劣的工作環(huán)境，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)放性、同步性、可靠性、抗干擾性及安全性等諸多方面的問(wèn)題。
另一方面，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中工廠或機(jī)械的工藝應(yīng)用要求決定了工業(yè)以太網(wǎng)需要具備實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(luò)設(shè)備顯然無(wú)法滿足這個(gè)要求，亟需新的、優(yōu)秀的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)器件。本文將以業(yè)界多家廠商的產(chǎn)品為例來(lái)說(shuō)明不同元件對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)可靠性與穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。
以太網(wǎng)連接器
以太網(wǎng)連接器指的是用于以太網(wǎng)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)連接器。在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，控制系統(tǒng)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)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(luò)中傳感器微型化節(jié)省空間的同時(shí)，還可以提供經(jīng)濟(jì)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(hù)等級(jí)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(yùn)轉(zhuǎn)。
當(dāng)前，為滿足工業(yè)設(shè)備不斷升級(jí)的技術(shù)要求，工業(yè)以太網(wǎng)連接器的防護(hù)等級(jí)、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(duì)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(gè)更新的應(yīng)用于工業(yè)以太網(wǎng)的連接方案。最初，SPE技術(shù)的開(kāi)發(fā)只是為了滿足汽車行業(yè)對(duì)于更小、更輕電纜和連接器的需求，然而隨著技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)它在工業(yè)應(yīng)用中的潛力，可以很好地解決工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的特殊問(wèn)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(yùn)輸應(yīng)用中不得不對(duì)卡車、客運(yùn)、貨運(yùn)列車以及飛機(jī)等運(yùn)輸工具予以補(bǔ)償，不僅增加成本，還減緩設(shè)置時(shí)間。
而SPE技術(shù)只通過(guò)一對(duì)雙絞線提供高速數(shù)據(jù)傳輸以及電源，傳輸速度可以達(dá)到1Gbps，傳輸距離也可以達(dá)到1km，可大幅度降低現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)放性、可靠性和對(duì)于多種應(yīng)用的靈活性，真正實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低姿態(tài)、經(jīng)濟(jì)高效、易于安裝的系統(tǒng)，并增強(qiáng)了數(shù)據(jù)分析和更快的錯(cuò)誤響應(yīng)，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展開(kāi)辟了全新的可能性和應(yīng)用領(lǐng)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(duì)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)集成PoE供電功能。通過(guò)以太網(wǎng)為工廠和流程自動(dòng)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(yuǎn)達(dá)1,000M的靈活性和高達(dá)1Gbps的傳輸特性，應(yīng)用范圍包括樓宇和工廠自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、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(duì)以太網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)盟的創(chuàng)始成員之一，在開(kāi)發(fā)具有IP20至IP6x防護(hù)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化SPE連接器上取得了決定性進(jìn)展。上述Phoenix Contact SPE連接器將取代傳統(tǒng)的串行總線系統(tǒng)，實(shí)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(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行，并不對(duì)其環(huán)境中任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾能力。眾所周知，各種運(yùn)行的電子設(shè)備之間的干擾主要以電磁傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)和電磁輻射三種方式彼此關(guān)聯(lián)并相互影響，在一定的條件下，就會(huì)對(duì)運(yùn)行的設(shè)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(guò)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(dá)6A，電壓高達(dá)160V，與CAT5兼容，適合用于以太網(wǎng)供電（PoE），通過(guò)一條電纜可以借助PoE節(jié)省空間，同時(shí)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(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高傳輸質(zhì)量和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且元件尺寸小，能夠適用于空間至關(guān)重要的應(yīng)用。
電阻器
工業(yè)以太網(wǎng)在為設(shè)備之間的互聯(lián)提供更便利連接方案的同時(shí)，也對(duì)其電路保護(hù)提出了更高的要求。電路保護(hù)不僅有助于電子設(shè)備保持其設(shè)計(jì)功能，還可以增強(qiáng)可靠性。
雖然電阻器本身并不是保護(hù)器件，但在多個(gè)不同保護(hù)器件組合構(gòu)成的防護(hù)電路中，也可以起到配合的作用。像電流檢測(cè)電阻器就可以用來(lái)測(cè)量“多大”電流在電路中流動(dòng)，以及當(dāng)電流“過(guò)大”或出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)做出判斷。如果電流超過(guò)了安全限值，滿足軟件或硬件互鎖條件，就會(huì)發(fā)出“關(guān)掉設(shè)備”信號(hào)。
由于其特性，電流檢測(cè)用低電阻器往往使用數(shù)歐姆以下的較小電阻值，比如國(guó)巨PE系列低TCR電流檢測(cè)電阻器這類符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)品、工業(yè)/電源和新能源等各種應(yīng)用。
圖5：國(guó)巨PE系列低TCR電流檢測(cè)電阻器
（圖源：貿(mào)澤電子）
不過(guò)需要注意的是，一般在使用這類電流檢測(cè)電阻器測(cè)量電流時(shí)，有兩種放置方式，分別為高側(cè)感測(cè)，即將電阻放在電源與負(fù)載之間；以及低側(cè)感測(cè)，即把電阻放在負(fù)載和接地端之間。這兩種測(cè)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(duì)較大的共模信號(hào)；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(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先選擇低側(cè)應(yīng)感測(cè)。
圖6：電流檢測(cè)電阻器放置方式
（圖源：CSDN）
電纜
當(dāng)然，可靠穩(wěn)定的工業(yè)以太網(wǎng)也離不開(kāi)更堅(jiān)固的電纜。和所有網(wǎng)絡(luò)一樣，當(dāng)干擾存在時(shí)，電纜的平衡性和穩(wěn)定性對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)起著至關(guān)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(jí)沒(méi)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(jiàn)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(hù)套材料。
比如，輕型工業(yè)電纜的護(hù)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(jí)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(hù)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(lái)說(shuō)，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(biāo)準(zhǔn)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(jī)或者設(shè)備連接，因?yàn)榕c5類電纜和5e類電纜相比，6類電纜不易受串?dāng)_和外部EMI噪聲影響。
工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)
作為以太網(wǎng)連接設(shè)備發(fā)展的下一代產(chǎn)品，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的功能更多更復(fù)雜，除了具備堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)，可運(yùn)作于嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中，還具備網(wǎng)絡(luò)管理及監(jiān)控功能。當(dāng)然，隨之而來(lái)的要求也更多，比如工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)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(shí)不間斷長(zhǎng)期運(yùn)行。
與普通交換機(jī)的相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，可以構(gòu)建不同的拓?fù)浣Y(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?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)中電纜的布置，但在工業(yè)以太網(wǎng)中，普遍使用交換機(jī)或集線器來(lái)實(shí)現(xiàn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為星型、環(huán)型、樹(shù)型和線型。不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也帶來(lái)了靈活的組網(wǎng)方式。通常，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)可以支持多種基礎(chǔ)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一大優(yōu)點(diǎn)。使用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，交換機(jī)可以組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每臺(tái)交換機(jī)能自動(dòng)判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當(dāng)優(yōu)先路徑中斷時(shí)自動(dòng)啟用備用路徑，從而實(shí)現(xiàn)快速自愈。
更重要的是，利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，可以通過(guò)組建冗余網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)連接可靠性。而工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建冗余網(wǎng)絡(luò)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(luò)中斷的恢復(fù)時(shí)間，從而達(dá)到工業(yè)環(huán)境對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可靠性能的超高要求。
寫在最后
從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域仍然將是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線并存發(fā)展，但在工業(yè)以太網(wǎng)快速發(fā)展趨勢(shì)下，全面替代現(xiàn)場(chǎng)總線的進(jìn)程是無(wú)可避免的。毫無(wú)疑問(wèn)，工業(yè)以太網(wǎng)的可靠穩(wěn)定性必將成為未來(lái)研發(fā)的重點(diǎn)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”。
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