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谁在为工业以太网的稳定可靠保驾护航?

发布时间:2023-09-11 来源:Mouser 责任编辑:wenwei

【导读】从1973年以太网诞生开始,这个世界就注定将变得更加五彩斑斓。在百兆、千兆、万兆等各种标准的推动下,如今以太网已经成为了应用最广泛的LAN协议和国际计算机行业标准。随着工业从3.0步入4.0时代,以太网也逐渐从人们的日常生活向工业领域迈进。


“把设备连接成一个可以相互通信的网络”,这个想法其实早在工业3.0时代就已出现。上个世纪70年代开始,人们便着手研发各种不同种类的工业现场总线,但由于缺乏统一、开放的通信标准,不同现场总线之间通信困难的问题难以解决。为了突破这一技术瓶颈,工业以太网应运而生。


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图1:主流工业以太网

(图源:智能制造之家)


虽说工业以太网就是将普通以太网应用到工业控制系统,但从专业角度看,工业以太网是建立在IEEE802.3系列标准和TCP/IP上的分布式实时控制通信网络,适用于数据传输量大,传输速度要求较高、实时性高的场合。目前主流工业以太网包括PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII等。


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图2:云基础设施

(图源:ADI)


与普通以太网相比,工业以太网的优势十分明显:


一是应用广泛。基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式网络,可解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作的问题,如VB、Java、VC等编程语言都可以支持其应用开发。采用以太网作为现场总线,就可以选择多种开发工具、开发环境。


二是通信速率高。相比传统的现场总线最高速率只有12M,高速以太网的通信速率可以高达100M或1,000M,目前10G的以太网技术也逐渐成熟,可以满足对带宽的更高要求。


三是成本低廉。由于以太网应用广泛,因此具有丰富的软硬件资源,而其网卡的价格只有现场总线的十几分之一,并随着技术发展还会进一步下降。


四是可持续发展潜力大。工业控制网络采用以太网,就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发展主流之外,从而使工业控制网络与信息网络技术共同发展,保证了以太网技术的持续发展。


凭借这些优势,工业以太网深受广大用户欢迎。HMS Networks研究显示,工业网络市场预计在2022年将增长8%,其中工业以太网显示出最高的增长,现占据新安装节点的66%。


然而,正如世界上没有一个十全十美的人,工业以太网也并不是完美无缺的。上述提到,工业以太网的本质是将普通以太网应用到工业控制系统,但普通以太网在设计之初,是以办公自动化为目标设计的,并没有考虑到工业控制的应用需求,因此想要让以太网适配工业领域,仍有许多问题亟待解决。


一方面,普通以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计的,未针对较恶劣的工业现场环境,所以当这些商用网络设备部署于工业现场时,不具备基本的安全性能,面对严重的电磁干扰等恶劣的工作环境,就会产生开放性、同步性、可靠性、抗干扰性及安全性等诸多方面的问题。


另一方面,工业现场中工厂或机械的工艺应用要求决定了工业以太网需要具备实时性,尤其在一些高精度的控制系统中,但普通以太网是“尽力而为”的传输,显然不具有实时性。


总而言之,工业环境的确定性决定了工业以太网必须可靠稳定,而以往的商用网络设备显然无法满足这个要求,亟需新的、优秀的工业网络器件。本文将以业界多家厂商的产品为例来说明不同元件对工业以太网可靠性与稳定性的贡献。


以太网连接器


以太网连接器指的是用于以太网领域的数据连接器。在工业自动化设备中,控制系统、传感器、网络通信等均需要用到以太网连接器。


与传统连接器相比,工业以太网连接器体积更小,传输速率更高,为以太网络中传感器微型化节省空间的同时,还可以提供经济高效的链接。更重要的是,为了避免受到恶劣工业环境的影响,工业以太网连接器的防护等级和屏蔽性能都大幅提升,即便是在水侵和腐蚀性的环境中,依然可以保持稳定运转。


当前,为满足工业设备不断升级的技术要求,工业以太网连接器的防护等级、传输速度、易操作性等性能也在日渐提高,并随之出现了单对工业以太网(SPE)连接器、屏蔽双排PCB连接器等。


其中,SPE连接器是一个更新的应用于工业以太网的连接方案。最初,SPE技术的开发只是为了满足汽车行业对于更小、更轻电缆和连接器的需求,然而随着技术的发展,人们开始发现它在工业应用中的潜力,可以很好地解决工业无线网络中出现的特殊问题。比如:在大型工业物联网中,以太网电缆束体积和重量不断增大,使得在工业运输应用中不得不对卡车、客运、货运列车以及飞机等运输工具予以补偿,不仅增加成本,还减缓设置时间。


而SPE技术只通过一对双绞线提供高速数据传输以及电源,传输速度可以达到1Gbps,传输距离也可以达到1km,可大幅度降低现场布线的成本,提高灵活性。还保留了工业以太网协议的开放性、可靠性和对于多种应用的灵活性,真正实现了一个低姿态、经济高效、易于安装的系统,并增强了数据分析和更快的错误响应,为工业互联网的发展开辟了全新的可能性和应用领域。


以Phoenix Contact SPE连接器为例,作为经典串行总线系统的替代方案,这款连接器凭借单单对线进行数据传输,同时集成PoE供电功能。通过以太网为工厂和流程自动化提供并行的高性能数据和电力传输。该系列具有范围远达1,000M的灵活性和高达1Gbps的传输特性,应用范围包括楼宇和工厂自动化、机器人技术、铁路行业和照明等。


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图3:Phoenix Contact  SPE连接器

(图源:贸泽电子)


据悉,Phoenix Contact作为单对以太网系统联盟的创始成员之一,在开发具有IP20至IP6x防护等级的标准化SPE连接器上取得了决定性进展。上述Phoenix Contact SPE连接器将取代传统的串行总线系统,实现从传感器到“云端”一网到底的数据连接方案。


而屏蔽双排PCB连接器则具有EMC屏蔽功能。EMC(电磁兼容性,Electro Magnetic Compatibility)指的是设备或系统在其电磁环境中符合要求运行,并不对其环境中任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力。众所周知,各种运行的电子设备之间的干扰主要以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响,在一定的条件下,就会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。


Phoenix Contact DMCC双排屏蔽型PCB连接器就具有EMC屏蔽功能,可为器件提供可靠的数据和电源,包括通过单条以太网电缆(以太网供电)。该系列连接器脚距为2.54mm,电流高达6A,电压高达160V,与CAT5兼容,适合用于以太网供电(PoE),通过一条电缆可以借助PoE节省空间,同时为系统提供数据和电源。


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图4:Phoenix Contact  DMCC双排屏蔽型PCB连接器

(图源:贸泽电子)


除此之外,该系列连接器还具备镀金触点,能够实现高传输质量和长期稳定性,并且元件尺寸小,能够适用于空间至关重要的应用。


电阻器


工业以太网在为设备之间的互联提供更便利连接方案的同时,也对其电路保护提出了更高的要求。电路保护不仅有助于电子设备保持其设计功能,还可以增强可靠性。


虽然电阻器本身并不是保护器件,但在多个不同保护器件组合构成的防护电路中,也可以起到配合的作用。像电流检测电阻器就可以用来测量“多大”电流在电路中流动,以及当电流“过大”或出现故障时及时做出判断。如果电流超过了安全限值,满足软件或硬件互锁条件,就会发出“关掉设备”信号。


由于其特性,电流检测用低电阻器往往使用数欧姆以下的较小电阻值,比如国巨PE系列低TCR电流检测电阻器这类符合AEC-Q200标准的低电阻温度系数电阻器。据介绍,该系列电阻器具有高可靠性和0.5%、1%或5%的容差,非常适合用于汽车、消费品、工业/电源和新能源等各种应用。


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图5:国巨PE系列低TCR电流检测电阻器

(图源:贸泽电子)


不过需要注意的是,一般在使用这类电流检测电阻器测量电流时,有两种放置方式,分别为高侧感测,即将电阻放在电源与负载之间;以及低侧感测,即把电阻放在负载和接地端之间。这两种测量方法各有利弊,需要视情况而做决定。采用高侧电阻的电路需要承受相对较大的共模信号;而在处理非常高的电压,或在电源电压可能易于出现尖峰或浪涌的应用中,应优先选择低侧应感测。


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图6:电流检测电阻器放置方式

(图源:CSDN)


电缆


当然,可靠稳定的工业以太网也离不开更坚固的电缆。和所有网络一样,当干扰存在时,电缆的平衡性和稳定性对工业以太网起着至关重要的作用。


虽然在数据传输能力方面,工业以太网电缆与商业级没有区别,但由于工业环境存在着EMI,以及温度、粉尘、湿度等其他在家庭和办公环境中不常见的影响因素,因此根据使用环境的不同,工业以太网电缆可能具有不同的额定温度和护套材料。


比如,轻型工业电缆的护套质量可能比普通以太网电缆更高。又或者,与用于商业级电缆的聚氯乙烯(PVC)相比,氟化乙烯聚丙烯(FEP)、热塑性弹性体(TPE)和聚氨酯(PUR)护套材料具有更大的温度范围、更好的柔韧性以及耐腐蚀性和耐磨性。


一般来说,5类电缆和5e类电缆比较适合用于办公室、商业等环境,而根据ANSI/TIA-1005标准所述,6类电缆或者更好的电缆可以用于工业环境中的主机或者设备连接,因为与5类电缆和5e类电缆相比,6类电缆不易受串扰和外部EMI噪声影响。


工业以太网交换机


作为以太网连接设备发展的下一代产品,工业以太网交换机的功能更多更复杂,除了具备坚固耐用的设计,可运作于严苛的工业环境中,还具备网络管理及监控功能。当然,随之而来的要求也更多,比如工业以太网交换机需要防水、防尘、抗震、抗电磁干扰,以及较高的可靠性要求,保证24小时不间断长期运行。


与普通交换机的相比,工业以太网交换机的优势十分明显,可以构建不同的拓扑结构、灵活的组网方式、环网的自愈能力、以及系统冗余能力。


拓扑是指网络中电缆的布置,但在工业以太网中,普遍使用交换机或集线器来实现,拓扑结构一般为星型、环型、树型和线型。不同的拓扑结构也带来了灵活的组网方式。通常,工业以太网交换机可以支持多种基础组网结构,如星型、链型单环、双环、耦合环、相切环、相交环以及多种结构混合组网。


1691756950861571.png图7:拓扑结构

(图源:方正智芯)


其中,环网自愈能力就是环型拓扑结构的一大优点。使用环形拓扑结构,交换机可以组成环形网络,每台交换机能自动判断最优传输路径和备用路径,当优先路径中断时自动启用备用路径,从而实现快速自愈。


更重要的是,利用工业以太网交换机,可以通过组建冗余网络,提高网络连接可靠性。而工业以太网交换机构建冗余网络的方式也是多种多样,主要分为STP、RSTP、以及环网冗余RapidRing,每种方式都可以缩短网络中断的恢复时间,从而达到工业环境对工业控制网络可靠性能的超高要求。


写在最后


从目前的发展趋势来看,未来一段时间内工业控制网络领域仍然将是工业以太网和现场总线并存发展,但在工业以太网快速发展趋势下,全面替代现场总线的进程是无可避免的。毫无疑问,工业以太网的可靠稳定性必将成为未来研发的重点方向,而上述提到的连接器、电阻器、电缆等元件就是其不可忽视的“制胜法宝”。



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