如何在工业应用中实施混合控制网络 (如何在企业应用工业工程)

{本文由家电维修技术小编收集整理资料}为了满足各种不同的要求，网络工程师需要按照最优的混合方式来部署铜缆和各种不同类型的光纤通信设备，所有这些设备都与具有冗余电源、宽工作温度能力、远程监控和高级安全功能的紧凑型工业以太网交换机相连。诸如石油和天然气炼油厂、化工厂、液化天然气终端和类似设施等工业综合体通常规模庞大，面临提高运营效率、支持灵活生产、降低成本和确保安全运行等许多挑战。生产过程的连续性加剧了这种挑战。为了确保最佳运行，这些设施中的工控网络必须能够连续不断地监测数千个地点的温度、压力、振动、流量和其他参数。网络可以延伸数公里(km)，同时需要各种不同的铜和光纤数据通信技术来支持一系列设备，从低带宽传感器，到更高带宽的实时控制和安全设备。为了满足各种不同的要求，网络工程师需要按照最优的混合方式来部署铜缆和各种不同类型的光纤通信设备，所有这些设备都与具有冗余电源、宽工作温度能力、远程监控和高级安全功能的紧凑型工业以太网交换机相连。本文首先简要介绍工业以太网(IE)，包括对光纤/铜缆混合数据通信网络的需求以及对光纤的特别关注。本文就单模(SM)和多模(MM)光纤进行了比较，研究了热插拔光纤模块标准以及光纤模块的数字诊断监测仪(DDM)如何工作，然后介绍CiscoSystems,、PhoenixContact和IntelligentNetworkSolution的一系列光纤数据通信设备，以及RedLionControls提供的托管型工业以太网交换机，这种交换机采用混合型铜和光纤端口以及硬质IP外壳。IE基于使用各种以太网协议，以及具有扩展温度范围的交换机、坚固耐用的互连器件，从而能适应各种恶劣的环境。IE可以支持实时控制和确定性，并通过诸如EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET和ModbusTCP等一些列通信协议完成具体实施。IE网络预计会在传统和现有*之间提供某种程度的互*作性，仍然具有可预测的性能并且易于维护，可最大限度地延长正常运行时间。在大型设施中，铜缆和光纤互连器件经常组合使用。在适当的时候，铜缆可以作为低成本替代品。然而，使用光纤能够减少与电气噪声有关的问题，提供电气隔离，并支持更长的互连长度，这在大而分散的工业综合体中可能特别有用。MM与SM光纤由于纤芯和包层之间的光学指数不匹配导致全内反射，所以光在光纤上传播。纤芯直径非常关键，它定义了接收锥角。该角包含了光线进入光纤后可以继续传播的角度。SM光纤采用小型μm纤芯，只能支持一种传播模式，即基本模式。相对于光的工作波长，MM光纤有较大的纤芯直径。那些较大的纤芯可同时引导许多种模式的光，即驻波模式光（图1）。*O/IEC标准根据两种纤芯尺寸和各种不同的带宽特性定义了五类MM光纤：OM1、OM2、OM3、OM4和OM5。光纤可以根据纤芯和光缆的直径进行分类。例如，.5/μm是指OM1MM。/μm光缆用于OM2、OM3、OM4和OM5MM，而/μm则属于SM光缆。

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图1：MM光纤的直径相对较大，可同时传输多种模式的光。（图片来源：CiscoSystems）MM光纤可使用发光二极管(LED)光源*作，但更高性能的设计会采用垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。VCSEL的采用使得MM光纤网络能够实现数千兆的数据速率。五类MM光纤均基于光波长度（单位：纳米）、纤芯直径(μm)和模态带宽。模态带宽是以km为单位的给定距离内的最大信号速率(MHz)或给定信号速率下的最大距离的测量值，是带宽与距离的乘积(MHz·km)。对于一条给定光缆，当距离减半时，最大信号传输率会翻倍。*O/IEC定义的MM光纤等级是：OM1：.5μm纤芯，在nm处的最小模态带宽为MHz·kmOM2：μm纤芯，在nm处的最小模态带宽为MHz·kmOM3：μm纤芯，在nm处的最小模态带宽为MHz·kmOM4：μm纤芯，在nm处的最小模态带宽为MHz·kmOM5：μm纤芯，在nm处的最小模态带宽为MHz·km，在nm处为MHz·kmOM3标准旨在支持IEEE.GbE以太网标准。当与VCSEL调制配合使用时，OM3MM光缆可在长达m的距离内提供Gb/s的传输速度。大多数情况下，OM3MM光纤链路在米以内的应用中是最经济的解决方案。OM4MM链路可以支持高达1km的距离。对于更远的距离和更高的数据速率，则需要使用SM光纤。用于铜缆和光纤的SFP小型可插拔(SFP)接口是一种紧凑型可热插拔网络模块格式，可用于数据通信和电信网络。网络硬件上的SFP接口与以太网交换机类似，是一种模块化插槽，用于诸如铜缆或光缆等特定介质的收发器。SFP可使端口根据需要配备不同类型的收发器。SFP取代了之前开发的较大的千兆接口转换器(GBIC)，因此有时会被称为“miniGBIC”。小型化委员会通过了多源协议，即MSASFF-（图2），规定了具体的外形尺寸、机械联锁和电气接口。除了标准SFP接口外，还可使用SFP+实现更高的速度（最高可达Gb/s），SFP的速度可达Gb/s。

图2：光纤SPF模块的机械元件，突出显示了闩锁和联锁机构以及光纤和电气连接。（图片来源：IntelligentNetworkSolutionsandJeffShepard）SFP光纤收发器可支持同步光网络(SONET)、千兆以太网、光纤信道、无源光网络(PON)和其他通信标准。数字诊断监控MSASFF-还定义了光纤收发器的DDM功能。DDM有时被称为数字光学监控(DOM)。DDM可让网络管理员实时监控光输入/输出功率、温度、激光器偏置电流和收发器电源电压（图3）。DDM是GBIC规范中定义的串行ID接口的一种扩展。DDM包括报警和警告标志，如果运行参数超出正常运行的工厂设置，就会发出警报。

图3：DDM可监控SFP光收发器的性能，并在任何参数超出标称工作范围时发出警报。（图片来源：IntelligentNetworkSolutions）DDM旨在帮助预测故障并支持预防性维护，以实现最长的网络正常运行时间。收发器制造商为各种参数设置了DDM阈值。在超过任何阈值的情况下*作收发器都将导致性能下降，并可能产生传输错误。当某个参数的值超过其指定的阈值时，收发器会发出警报。此外，该模块将停止传输数据，*同时将拒绝接收任何信息。同时发出多个警报的情况并不少见；例如，如果发射光功率太高，温度也可能很高。DDM会在超过预设的阈值时关闭并保护*，但它也可用来监控收发器的运行参数，让*作员能够看到数值在超过*性水平前向错误的方向变化，从而安排预防性维护。MM光纤和1km范围工控网设计者可以使用PhoenixContact的千兆SFP模块，并使用nm波长的光纤支持长达1km的传输距离（图4）。该模块适用于工业应用，其工作温度范围为-℃至℃，湿度高达%。传输距离取决于所使用的光纤：m，采用.5/μm(OM1)m，采用/μm(OM2)m，采用/μm(OM3)m，采用/μm(OM4)

图4：该SFP光收发器在波长为nm和OM4光缆的情况下，其工作距离为1km。（图片来源：Digi-Key）使用SM光纤的距离kmIntelligentNetworkSolutions的INTSFP模块支持Base-LX数据传输，使用nm激光器在单模9/μm光纤上传输，最长传输距离可达km。它支持DDM，且金属外壳减少了电磁干扰(EMI)，增加了耐用性（图5）。该模块的工作温度范围为0°C至℃，规定的相对湿度(RH)为-%。

图5：IntelligentNetworkSolutions的INTSFP模块支持Base-LX数据传输，使用nm激光器在单模9/μm光纤上传输，最长传输距离可达km。（图片来源：IntelligentNetworkSolutions）kmSFP收发器Cisco的SFP-G-BXD-I和SFP-G-BXU-I采用SM光纤工作，当*SFP+端口时的传输距离可达km。这些收发器与同一链路上的GBASEXENPAK、GBASEX2和GBASEXFP接口之间存在光学互*作性，并具有监控实时性能的DOM功能。使用时，SFP-G-BXD-I总是与SFP-G-BXU-I连接。SFP-G-BXD-I传输nm通道，接收nm信号，SFP-G-BXU-I以nm波长发射，接收nm信号（图6）。

图6：光收发器采用不同的波长来传输和接收数据。（图片来源：CiscoSystems）工业以太网托管型交换机如果需要端口托管型千兆以太网交换机（含8个端口、4个SFP组合端口并具有Modbus监控功能），网络工程师可采用RedLion的SixnetSLX-8MG-1。SLX-8MG-1有8个//Base-T(X)端口、4个SFP组合端口（支持Base或Base光纤收发器）。SLX-8MG采用超薄硬化金属DIN导轨外壳，可用于恶劣的工业环境，支持冗余型-VDC电源输入且工作温度范围为-℃至℃。该交换机还具有Modbus/TCP远程监控功能、高级安全功能，更强的抗冲击和抗振动能力，以及抗高电气噪声和抗浪涌水平能力。

图7：SLX-8MG-1托管型千兆以太网交换机具有8个//Base-T(X)端口和4个SFP组合端口（左上）。（图片来源：RedLion）结语混合光纤和铜缆网络有助于提高运行效率，支持灵活生产，降低成本，并确保石油和天然气炼油厂、化工厂等大规模工业企业安全和可靠地运行。网络工程师可以使用托管型千兆以太网交换机来部署由光纤和铜缆组成的混合通信链路。采用MM和SM光纤支持最佳的模态带宽，包括DDM功能可以进行预防性维护，以确保最长的网络正常运行时间。