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什么是工業以太網?

2019-02-15        明辰智航市場部

      工業以太網由于其固有的可靠性、高性能和互操作性,已經滲透到工廠車間,成為自動化和控制系統的首選通信協議。近年,工業以太網的市場份額已經超過了傳統的現場總線協議,后者通常需要多個獨立和專有的布線設施。
 
 
為了滿足工業環境需要,工業以太網本質上使用封裝在以太網協議中的特殊工業協議,以確保在需要執行特定操作的時間和位置發送和接收正確信息。讓我們來看看這些協議,研究一下工業以太網與商用以太網環境的區別。

1 四大協議
 
 
      工業數據通信發生在路由層、控制層和傳感器層——每一層都需要不同級別的實時信息傳輸、沖突檢測和決策(本質上預先確定任意兩個節點之間的路由)。雖然有好幾種工業以太網協議可以支持工廠的各種通信要求,但有四個主要協議值得關注——Modbus TCP/IP、EtherCat、EtherNet/IP和Profinet
 
      Modbus TCP/IP是首個推出的工業以太網協議,它本質上是一種傳統的Modbus通信,在以太網傳輸層協議中壓縮,用于在控制設備之間傳輸離散數據。它利用簡單的主從通信,其中“從”節點在沒有來自“主”節點的請求的情況下不會發送數據,因此其不被視為真正的實時協議。
 
      EtherCAT于2003年推出,是一種工業以太網協議,可為自動化系統提供主/從配置的實時通信。EtherCAT的關鍵要素是所有聯網從機都能夠從數據包中僅提取所需的相關信息,并在向下游傳輸時將數據插入幀中——通常稱為“飛速”通信。
 
      以太網/IP最初于2000年推出,是一種主要由羅克韋爾自動化公司提供的廣泛應有的應用層工業以太網協議,由開放式設備網絡供應商協會(ODVA)提供支持。它是唯一一個完全基于以太網標準并使用標準以太網物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層的工業以太網協議。由于其采用標準以太網交換,因此可支持無限數量的節點。然而,要求限制距離,以避免延遲并支持實時通信。
 
      另一個重要協議(很大程度上是由于嵌入至西門子和GE控制器之中)是Profinet,是西門子與Profibus用戶組織的成員公司共同開發的應用協議。它利用集成至設備中的特殊交換機本質上將Profibus I/O控制器通信擴展至以太網。
 
2電纜設備特性
 
 
      對于支持這些工業以太網的電纜設備而言,與商用以太網LAN相比,存在一些關鍵差異。首先,我們所說的工業以太網的速度遠低于我們在LAN中看到的千兆位和更高帶寬需求——100 Mb/s左右是工業以太網的常見速度。這是有道理的,因為與從YouTube下載視頻相比,工業網絡中發送控制和自動化信息所需的帶寬只是個零頭。
 
      由于工業環境要求電纜和連接必須能夠抵御各種惡劣條件(振動、液體、灰塵、化學物質和電磁干擾———即滿足MICE的環境要求),因此這些組件的結構要比辦公室LAN中使用的組件更為堅固。例如,雖然所用電纜可能只需要具有5類或超5類線性能,但工業電纜通常具有更大規格(通常為22AWG)以適應更高溫度,具有屏蔽結構以防止噪音,采用多股絞合導線以實現柔韌性,以及采用聚氨酯等特殊護套材料以實現耐化學性、耐油性和耐磨性。導體本身甚至可以進行涂覆處理以防止被腐蝕。上述特性使得工業以太網電纜的價格比普通LAN電纜高得多。
 
      工業以太網中使用的連接器也需要更加可靠。雖然專為工業環境而設計的加固型RJ45連接器采用密封以實現防塵防水,并具有耐化學性等特性,但M12連接器由于具有較小的圓形外觀和12mm鎖緊型螺紋而在工業以太網中得到更廣泛應用,即使受到沖擊和振動,也能保持可靠連接。此外,M12連接器通常具有更廣泛的防侵入保護選項,可承受高壓沖刷并且耐腐蝕。 
 
 
      M12連接器提供直線式和呈角度配置,可實現多種機械連接,最常見的為4針或8針。4針支持大多數工業以太網應用中的100 Mb/s速率,而千兆以太網要求采用8針連接器,需要全部四對線進行傳輸——聽起來很熟悉吧?對于PoE,4針M12也只支持Type 1 PoE,利用同一對線同時傳輸數據和直流電源,而Type 2及更高類型則需要8針M12。M12至RJ45電纜組件也很常見,只需要將電纜的一端連接到存在沖擊和振動情況的機械即可。 
 
      隨著工業以太網不斷擴展,標準組織不斷開發標準為其提供支持,明辰智航將幫助您與時俱進,快速了解如何測試和認證這些系統......敬請期待。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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