工业以太网 – 了解

了解:工业以太网铜缆布线

  • 由 Xerox Palo Alto Research Center (PARC) 在 20 世纪 70 年代最先开发的以太网已发展成为全世界最常见的网络系统。在过去的几十年中,行业标准经历巨大变化和扩展,这使以太网能够满足原始开发人员从未想象过的各种应用。

    其中一项应用即为工业以太网。供应商和标准组织采用以太网的基础物理层创建各种技术,例如 PROFINET、Ethernet/IP(工业协议)、EtherCAT 和 Modbus-TCP,而后针对工业自动化对这些技术进行优化。

    工业以太网 – 了解

    图 1. DSX CableAnalyzer™ 页面显示不同端到端线缆配置的测试限制,包括 E1、E2 和 E3 限制。

    布线标准连接器

    所有工业以太网应用均采用类似于“常规”以太网用途的双绞线铜缆或光纤布线,并针对工厂环境进行了一定的改动。国际标准组织 (ISO) 和电信工业协会 (TIA) 制定了一套规范,确定工业场所内的潜在环境条件。其被称为机械、侵蚀、气候/化学、电磁规范。MICE 等级描述不同的环境条件级别,MICE 1 为常见办公环境,MICE 2 为轻微恶劣环境,MICE 3 为重工业环境。

    若要满足这些要求,供应商开发出了特定的线缆和连接器。这包括可以在被压碎、加热、浸没或暴露于腐蚀性化学品的同时操作的电缆。在大多数情况下,这会影响电缆外护套的要求,无论是 MICE 1 还是 MICE 3,电气特性保持不变。但是,电磁要求中存在的显著差异,其中针对 E1、E2 和 E3 规定了横向转换损耗 (TCL) 的特定要求。该规范测量电缆抵抗外部电信号干扰的能力,例如焊机、变速驱动器和高压电源产生的电信号。

    由于连接器可成为侵蚀点,因此需要特别审查。一种方法是将标准 8 针模块化连接器 (RJ-45) 装入密封的螺纹插座中。该连接器的优势为:可与多数“常规”以太网设备和电缆兼容。M12 连接器专为更严格的冲击和振动应用而开发,具有小型圆形锁定螺钉型连接器,可包括两对 (M12-D) 或四对 (M12-X)。常见的工业布线配置包括在电缆一端的模块化 8 针连接器,另一端连接到 M12 连接器。

    解决布线问题

    图 2. DSX CableAnalyzer 显示 E2 限制 TIA 1005 分类 6A 链接的通过测试结果。

    一半以上的工业以太网问题根源在于布线。部分问题在启动过程中立即出现,有些问题在连接时并未显现,直至环境变化引起通信故障。以太网是一种强大的技术,即使在边缘环境下也可以继续通信 ,但这些情况的变化可能会导致通信问题或全面故障。以下为最常见的布线问题。

    连通性 – 布线的最基本要求是,一端的引脚连接到另一端的正确引脚。布线中的任何布线错误或开口都会导致通信故障。当引脚与另一端的适当引脚连接,但是电缆配对不正确时,有可能会出现一种不太好理解的问题,即“分离对”。这可能导致间歇性或硬性故障。

    长度 – 一般情况下,以太网线缆长度限制为 100 米。如线缆过长,则在两种情况下可能导致问题出现。首先,信号在通过电缆传播时会变弱 – 如果信号太长,则其可能太弱而无法在远端正确接收。其次,以太网设计时,旨在特定时间范围内响应,由太长的电缆引起的延迟会干扰该定时。这两种错误都有可能导致硬性故障或间歇性问题。例如,由于线缆损耗随温度增加,如线缆过长,可能在较低温度下可接受地传输,但在较高温度下会失效。

    串扰 – 其为测量线缆内配对间的电磁干扰。例如,在“发送”对上发送的信号可以对“接收对”产生干扰信号。发射器可以将此干扰解释为“正在输入信号”和停止发送。这同样可能导致硬性故障或间歇性故障。随着信号频率的增加,串扰也会增加,这使其成为网络电缆最优性能的主要决定因素。

    图 3. DSX CableAnalyzer 显示出现故障的 E3 级测试结果。注意 TCL 故障。

    屏蔽完整性 – 许多工业以太网电缆都包含屏蔽层,其通常是金属箔,将每对电缆包裹在外部电缆护套内。该屏蔽层旨在减少外部电磁干扰 (EMI) 的影响,其也可来自电缆附近的高压或高电流设备。EMI 可能导致电缆传输错误,导致速度减慢甚至全面故障。这样的故障问题非常难以排除,原因是其仅在干扰大到足以克服信号平衡时才可发生,如使用附近的电机启动或焊接工具。为使屏蔽层更高效,线缆应与其路径共同屏蔽,单个屏蔽层的连通性都可能极大降低其性能。因此,屏蔽层的测试必须能确保屏蔽整个路径。由于屏蔽层通常接地,因此其为特别难的测量。简单的直流测量将无法判定屏蔽层是否连通,或其是否两端接地。

    横向变换损耗 (TCL) – 其为线缆“平衡”的测量,该功能旨在配对的两个接线处传输相同信号。双绞线电缆通过配对内两根导线上相等但相反的信号之间的差分,实现高水平的抗噪性。如果布线导致信号不均等,外部噪声可能会对信号造成干扰,并使信号失真到接收设备无法识别的程度。如上述备注,EMI 的问题很难分离和解决。若要解决该问题,为了解决这个问题,标准组织已经为 MICE E1、E2 和 E3 环境开发了 TCL 要求。

    务必注意:根据上述要求,使用由制造商认证的电缆和连接器,这对于无差错操作非常重要,但无法保证。有时,即使最好的供应商也可以生产不合规格的产品,更常见的是,不正确的安装技术也可能使优质组件变的糟糕。

    电缆测试意味着更长的正常运行时间

    图 4. DSX CableAnalyzer 可查找广泛的布线故障,并以任何技术人员能够理解的方式呈现。

    组织配备适当的电缆测试工具,并了解其基本用途,通过三种方式使用,以增加正常运行时间:

    Faster Startup – 连接线缆前,测量上述备注参数,这是确保满足必要规格以适当工作的唯一方式。

    预防异常停机 – 由于线缆在启动时通过数据,因此无法保证在所有情况下都能继续工作。安装后的环境变化可能导致故障。根据上述备注参数,如果线缆测试通过,则稍后基于这些要素的线缆故障机会可能减少。

    更快地解决问题 – 即使是经过测试的电缆也可能因滥用而发生故障,例如意外切割、拉开或熔化。如出现网络故障,快速诊断布线问题可节省大量时间。其不需要花费数小时替换可疑线缆,只需几秒即可测试其是否完好,从而可针对其他故障排除工作。如线缆循坏,测试仪的诊断可以查明问题。例如,如果了解了故障是否在远端连接器,这意味着您可花费几分钟替换损坏的连接器,不需要几个小时重新进行整体布线。

    总之,安装时的测试线缆可加速启动流程,防止未来出现的问题。出现故障时,使用线缆测试仪可节省数小时的故障排除和停机时间。

    工业互联网的线缆测试工具

    线缆测试工具可分为两类:部署前测试仪和故障排除设备。

    部署前(认证)测试人员 – 这些工具可为上述备注的所有线缆参数提供测试,包括串扰、屏蔽集成和 TCL。DSX CableAnalyzer 系列是唯一可测量所有参数的线缆测试仪(包括屏蔽集成及布线路径)。测试仪可判定结果“合格”或“不合格”,可创建记录报告。我们只能通过“启动前的认证工具测试”方式了解线缆是否满足上述特定规格,这也是防止布线问题的最佳方式。这些工具还可用于故障排除,不仅可定位损坏线缆,还可定位更困难问题,如线缆进水,或连接器不满足规格要求。

    故障排除工具 – 这些工具可验证线缆是否适当连接(包括分离对测试),并且可以测量电缆的长度,并识别电缆断裂的位置。通过消除布线问题,让团队专注于问题的真正所在,即使线缆不存在问题,也可以节省大量时间。

    无法投资认证测试仪的团队仍然可以从新项目中获益,方式为租赁或招募线缆测试承包商,以在启动前测试线缆。其可通过低成本故障排除工具,处置任何设施,消除必要时间,以在发生故障时安排装置租赁或合约商。解决单个网络故障时,可节省时间,从而节约成本。

    Fluke Networks 的工业以太网线缆测试产品比较

      MicroScanner  CableIQ  DSX 系列 
    主要应用  故障排除  故障排除  安装和排障 
    连通性 
    长度 
    串扰     
    屏蔽完整性     
    TCL     
    报告   
    故障查找  基本  基本  高级 
    M12 支持  可选  可选  标准