工业以太网怎么样?

2018 年 10 月 18 日 / 101 系列

以太网因其固有的可靠性、性能和互操作性而成为工厂内自动化和控制系统的首选通信协议。今年,工业以太网的市场份额已经全面超过传统的现场总线协议,而后者一般要求多个独立和专有的工厂布线。

为了满足工业环境的要求,工业以太网本质上使用以太网协议中包含的专用工业协议以确保在需要的时间和地点收发正确的信息以执行具体操作。让我们详细了解一下这些协议以及工业以太网网络与商用局域以太网环境有什么区别。

四大协议

工业通信可在路由层、控制层和传感器层进行,每一层都要求不同水平的实时信息传输、碰撞检测和确定性(基本上是预先确定任意两个节点之间的路由)。虽然有多种工业以太网协议支持工厂级别的各种通信需求,但其中有四个主要协议值得一提:Modbus TCP/IP、EtherCat、Ethernet/IP 和 Profinet

Modbus TCP/IP 是首个推出的工业以太网协议,实质上是在一个以太网传输层协议中压缩的传统 Modbus 通信,用于在控制设备间传输离散数据。这一协议使用主从通信模式,其中“从”节点在未收到“主”节点请求时不会传输数据,但其不被视为实时协议。

EtherCAT 于 2003 推出,是一个以主从模式为自动化系统提供实时通信的工业以太网协议。EtherCAT 的关键元素是所有联网的从设备都能从数据包中仅提取所需的相关信息,并在向下游传输时将数据插入帧中,这通常被称为“动态”通信。  

Ethernet/IP 首先于 2000 发布,是一个广泛使用的应用层工业以太网协议,由开放设备供应商协会 (ODVA) 支持,并主要由罗克韦尔自动化公司提供。它是完全基于以太网标准且使用标准以太网物理层、数据链路层、网络层和传输层的唯一工业以太网协议。因为使用标准以太网交换,所以它可以支持无限数量的节点。但是,它要求受限范围以避免延迟和支持实时通信。

另一个主要协议(在很大程度上是因为嵌入到西门子和通用电气的控制器中)是 Profinet,即由西门子与 Profibus 用户组织的成员公司共同开发的应用协议。它实际上是通过集成到设备中的专用交换机将 Profibus I/O 控制器通信扩展到以太网。

工厂布线特点

对于支持的工厂布线来说,上述工业以太网协议与商用局域以太网相比有一些主要的区别。首先,工业以太网的速度远远低于局域网中的千兆或更高的带宽需求。工业以太网中的常用速度一般都在 100 Mb/s 左右。这样的速度是合理的,因为在工业网络中发送控制和自动化信息所需的带宽只是从 YouTube 下载视频所需带宽的一小部分。

因为工业环境要求电缆和连接能够承受各种恶劣条件 - 振动、液体、灰尘、化学品和电磁干扰,所以其元件结构比办公室局域网中使用的元件更加坚固。例如,虽然电缆可能只需要 Cat 5 或 5e 性能即可,但工业电缆的规格通常更高(一般为 22AWG )以适应更高的温度,并有用于防噪的屏蔽结构、具有柔韧性的绞合导线以及特殊护套材料,如用于抗化学品、油脂和磨损的聚氨酯。导线本身甚至也有涂层以防止腐蚀。这些特征会让工业以太网电缆的价格远远高于常用的局域网电缆。

工业以太网中使用的电缆也需要更加牢固。虽然旨在用于工业环境的经加固 RJ45 连接器具有防尘和防潮的密封以及耐化学品材料等特点,但是 M12 连接器具有较小的圆形系数和 12mm 锁止螺纹,即使在受到冲击和振动时也能保持可靠的连接,因此在工业以太网中的应用更为广泛。此外,M12 连接器通常具有更多的入口保护选择,可承受高压冲洗和耐腐蚀。

M12 连接器可用于多种机器间连接的直线和斜角配置,最常见的为 4 针或 8 针。4 针连接器支持大多数工业以太网应用中常见的 100 Mb/s 速率,而需要全部四对配线进行传输的千兆以太网则要求 8 针连接器-听起来很熟悉不是吗?对于 PoE 来说,4 针 M12 连接器也只能支持 I 类 PoE,即在同一对配线中同时传输直流电和数据,而 2 类和以上则要求 8 针 M12 连接器。M12 转 RJ45 电缆也常用于仅需将电缆一端连接到存在冲击和振动的机器上的情况。

随着工业以太网的持续扩大,标准机构也在不断制订支持它的标准,而 Fluke Networks 将帮助您了解如何测试和认证这些体系…详见工业以太网资源

工业以太网中使用的电缆也需要更加牢固。虽然旨在用于工业环境的经加固 RJ45 连接器具有防尘和防潮的密封以及耐化学品材料等特点,但是 M12 连接器具有较小的圆形系数和 12mm 锁止螺纹,即使在受到冲击和振动时也能保持可靠的连接,因此在工业以太网中的应用更为广泛。此外,M12 连接器通常具有更多的入口保护选择,可承受高压冲洗和耐腐蚀。

M12 连接器可用于多种机器间连接的直线和斜角配置,最常见的为 4 针或 8 针。4 针连接器支持大多数工业以太网应用中常见的 100 Mb/s 速率,而需要全部四对配线进行传输的千兆以太网则要求 8 针连接器-听起来很熟悉不是吗?对于 PoE 来说,4 针 M12 连接器也只能支持 I 类 PoE,即在同一对配线中同时传输直流电和数据,而 2 类和以上则要求 8 针 M12 连接器。M12 转 RJ45 电缆也常用于仅需将电缆一端连接到存在冲击和振动的机器上的情况。

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