工业布线解决方案的应用分析.doc

中英文日报 工业布线解决方案的应用分析1. 对工业网络系统应用的分析早期的工业控制系统发展中，由于工控协议、产品的专属性，造成厂商产品不兼容、成本较高等原因从而阻滞了其快速发展。伴随着企业本身对遍及全球的企业生产数据的需求、网络速度增长、电子化网络、降低成本、改善适应性以应对商业需求变化的需要等因素，包括：l 对于某些企业而言，网络控制、信息系统的重要性是不言而喻的，哪怕是片刻的网络故障或中断，但带给企业的或许是灾难性的后果；l 且工控网络越来越庞大，网络节点越来越多；l 工业以太网的运行环境越来越多的工厂和办公应用的混合，出现很多工程应用（如大型CAD文件、大型图表文件、需要高带宽的仿真软件）等带宽要求；l 有些对于时间敏感的实时数据（包括今后整夜的批处理文件是无法接受的、过程控制要求7*24）需求等企业对于工业网络提出新的要求和目标，如何更好地满足和适应新的需求和发展，成为工业网络需要解决和改变的原因。当工业网络将眼光转向以太网时，主要是基于以下的考虑：l 以太网是电子数据处理系统中最广泛的通信技术l 标准化的通信-无缝的基础网络设施可以很好地和办公网络（最广泛的办公网络）整合，将办公网络扩展到机器设备或传感器，让纵向整合成为可能l 相比现场总线，具备更显著的增长带宽（比如Profibus DP 最高12M带宽-以太网最高到10G）l 开放式协议和平台l 大多数现场总线的厂商也发展了建立在标准以太网上的自有协议：如Modbus/TCP, EtherNet/IP, ProfiNet, FF HSE, Powerlinkl 更多使用以太网协议的设备可供选择，包括符合DIN规范的可以导轨安装的以太网交换机等。同时，工业以太网也符合未来网络发展的要求，比如：将所有公司的操作系统都集成在一个单一的信息基础中；管理系统可以得到最新的数据以便作出判断决定和响应时间；位于供应链中心的制造商需要在线地获得快速响应、供应商库存的管理和电子商务等；用于分析、趋势判断和改进的数据采集；嵌入式系统冗余等都推动了工业以太网的发展。工业以太网是指使用以太网协议进行通信传输，控制工业环境中的自动设备和生产机械。工业网络系统需要与集中过程控制和制造执行系统联通。随着以太网连接能力的日益增强，互联网协议（IP）正成为两个领域之间数据传输的标准方法。但是，与办公网络不同的，工业客户面临的环境是更加复杂的，这其中包括：l 机械环境：碰撞、震动、抗拉强度、弯曲、韧性、挤压、冲击，要求系统具备侵入的防护等级、保护等级等l 电磁噪声：分别来自电机、电焊、变压器、雷达、无线电等产生的电磁干扰/射频干扰、电磁排放、电磁传导、传导辐射，我们可以举一个简单的事例说明，在EMC指令测试中的一项是EFT/B，即电快速瞬变脉冲群抗扰度测试，通常，电路中机械开关对电感性负载的切换，会对同一电路的其他电气和电子设备产生干扰，在办公型网络中，是不会考虑这类测试的，因为快速脉冲群对设备造成损害的几率不大，但是在工业网络中，却很容易造成设备的误动作，。EFT/B测试的目的就是测试对此类干扰的抗扰度。l 极端严酷的环境：包括安装和运行的环境温度，热冲击，抗紫外，污染和包含腐蚀性空气或危险液体的化学环境，生产过程会高温工序和非高温间隔，遇到极限温度等下表列出了较为典型的工业环境供参考：环境条件范围震动（非包装状态）频率范围10-500Hz加速度5g（运行状态）位移0.012英寸/0.3048mm（P-P）震动冲击加速度30g（运行状态）50g（非运行状态）温度特性运行范围-0分钟至+60分钟极端状态-20分钟至+85分钟储存-40至+85湿度5%-95% RH（非空调状态）电压触点/触点1000V直流或交流峰值触点/测试盘1500V直流或交流峰值目前工业控制的用户主要是那些生产自动化程度需求较高的行业，包括：l 自动化工厂：汽车工业、机器、物料运输等；l 自动化过程：化学品、制药、能源、水及污水处理、精炼工厂、石化、纸浆/造纸，矿业等；l 自动化运输：自动化交通、隧道和桥梁、造船、航运、地铁、轨道交通、管线等2. 对工业布线系统应用的分析通过上述的分析很容易看出，工业网络与办公网络的差异是非常明显的，那么作为网络的最基础的物理层-网络布线系统也有很大的不同，作为通常办公网络中不需要考虑的问题，在工业网络布线中就成为必需面对和解决的首要任务，比如，机械环境的震动、冲击、防水和防水以及化学环境的腐蚀、高低温的冲击等。工业网络中对于光缆的用法与办公网络类似，室外应用以松套光缆为主，室内光缆可以使用紧套，但是必须关注室内光缆的抗压、抗化学、防浸入等环境特性。l 室外光缆松套光缆由于将光纤放置在缓冲管中，光纤处于无应力环境，因此具备了最佳的传输性能并且具备坚固的机械和环境特性。由于缓冲束管在光缆中的绞合，为缓冲套管提供扩张和收缩的“窗口”，确保线缆可以容纳光纤在其中的长度变化。环境温度效应需要考虑两个重点，那就是线缆特性和缓冲套管特性，线缆特性是指要符合各类的安装环境，即架空、管道和直埋，并且需要满足高低温弯曲、室外冰冻试验、循环弯曲和冲击、挤压等试验。缓冲套管特性主要是指在接头盒中的缓冲管材料避免低温时缓冲管过分收缩而导致衰减、缓冲管必须可以承受低温下扭曲且可以正常工作等，这样才能保证光缆的正常运行并且扩展温度运行的范围，下图简述了光缆在室外环境中的温度效应：线缆延长（牵引过程中），光纤比缆身“短”，光纤移动到内侧安装后正常状态，光纤在缓冲管中心附近线缆收缩（低温状态），光纤比缆身“长”，光纤移动到外侧l 连接硬件与办公以太网有些不同的是，工厂设备的位置是相对固定的，不会像办公网络一样频繁变动，同时，对于某些环境，配线设备的增加会增加了系统成本和潜在故障点，或许有些地点配线设备会占取了机器的宝贵的空间。因此，在水平区域配置方面，会依据具体情况采用不同的方法，配线设备会选择使用或者不使用，如果使用配线设备，则必须考虑采用密闭的连接器，当然，对于什么是密闭连接器，也有相关规范的定义，提到密闭连接器，我们可以简单地介绍一下IP等级。IP是入侵防护（Ingress Protection）的缩写，IP等级是针对电气设备外壳对异物侵入的防护等级，来源是国际电工委员会的标准IEC 60529，这个标准在2004年也被采用为美国国家标准。在这个标准中，针对电气设备外壳对异物的防护，IP等级的格式为IPXX，其中XX为两个阿拉伯数字，第一标记数字表示接触保护和外来物保护等级，第二标记数字表示防水保护等级，数字越大表示其防护等组长越佳，具体的防护等级可以参考下面的表格。第一位“X” 防尘等级第二位“X” 防水等级0 无防护 无特殊的防护0 无防护，无特殊的防护1 防止大于50mm之物体侵入 1 防止垂直滴下的水侵入2 防止大于12mm之物体侵入 2 倾斜15度时仍防止滴水侵入 3 防止大于2.5mm之物全侵入3防止雨水、或垂直入夹角小于50度方向所喷射水侵入4 防止大于1.0mm之物体侵入 4防止各方向飞溅而来的水侵入5 无法完全防止灰尘侵入，但侵入量不会影响正常运作5防止大浪或喷水孔急速喷出的水侵入6 防尘 完全防止灰尘侵入6 浸入水中在一定时间或水压的条件下，仍可确保正常运作7 防止侵水的水侵入，无期限的沉没水中在一定水压的条件下，及可确保，正常运作8 防止沉没的影响工厂级别的网络系统需要与集中过程控制和制造执行系统互联互通，TIA-1005就是为了实现在工业安装中全新结构化布线的理念。3. 工业布线标准在北美，TIA TR42.9工作组承担了发展用于严酷环境中的以太网部署的工业标准，并且在2009年4月正式发布TIA -1005规范-工业系统的电信基础布线规范，定义了当允许使用相对广泛的商业环境下支持工业应用的电信布线（如语音、数据、文字、视频、工业和建筑控制、安防、火灾报警、图像等）。事实上，1005是基于568-B系列的标准的补充，适用除了商业环境以外的工业环境，同时也参考了ISO/IEC 11801和24702，环境规范IEC60721-x和IEC60654-x等。TIA-1005的目的是驱动和确保工业建筑内部及建筑物之间的电信线缆基础设施的规划和安装，为工业建筑、机构和园区内的除办公网络标准以外的电信基础网络提供指导，工业建筑、机构和园区可能是大规模的、多灰尘的、腐蚀性的和包含爆炸物和苛刻条件的环境比如极端温度、电磁/射频干扰和危险气体等。新标准提供了布线要求、布线距离、电信输出/连接器配置和拓扑等，对于工业环境的电信基础网络设计的和理解与特有的工业环境和应用关联的问题上是很有帮助的。相比TIA-568-B，将信息终端扩展至自动化孤岛是最大的变化，这部分系统包括了如下组成：自动化孤岛、自动化信息终端和线缆、自动化孤岛的设备跳线、环境定义以及MICE表格。与楼宇布线系统类似，在欧洲和国际标准化组织，即ISO/IEC 11801（2002）和EN50173-1（2003）中，工作区布线都是被特别定义的。对于工业环境的规范，被ISO/IEC详细制定并命名为ISO/IEC 24702-“信息技术- 通用布线-工业系统布线”，在欧洲也被定义为EN50173-3，除了通道性能以外，也详细规定了MICE。ISO/IEC 24702定义的环境级别的影响，即所谓MICE表格， 是指线缆需要面对的4种可能的环境问题：机械问题（振动/撞击/冲击），准入等级（与IP或者NEMA要求类似），化学和环境问题以及电磁问题。根据MICE的限制，具有复杂环境的3种基本工业区域被划分了等级（分别是1、2和3），MICE的建立有助于更好的理解自动化孤岛、线缆设计以及工厂车间网络系统性能要求。级别123要求机械问题M1M2M3准入等级I1I2I3化学/环境C1C2C3电磁问题E1E2E3M1I1C1E1描述的是最坏情形下的办公环境；M2I2C2E2描述的是最坏情形下的轻型工业环境；M3I3C3E3描述的是最坏情形下的工业环境；同时，MICE的分项上可以有不同的需求，采用混合型的要求，比如M1I2C3E1等。由于工业环境布线的规范较好地定义了线缆系统、自动化孤岛、自动化出口和线缆、线缆等级、环境需要考虑的因素、MICE等，成为更适用工厂环境和更具指导意义的标准。4. 工业网络布线系统的配置工业以太网中有3种推荐的线缆介质类型，光纤、非屏蔽和屏蔽铜缆，包括用于主干/水平系统的50 m 和62.5 m的多模和单模光纤，要求小于90 m的应水平系统用，可以选择4对非屏蔽或屏蔽双绞线。在布线原则方面，依然是采用星型拓扑结构，同时要求每一个工作区输出端口至TR采用交叉连接的方式，在使用汇集点方式规划时，在TR和工作区输出端口WA之间最多一个CP集合点。下图显示为ISO/IEC 24702-工业环境布线系统拓扑结构图。下面显示了在水平系统中的几种不同配置方式。上述图示中：5. 工业布线系统的安装技术在设计和安装的过程中应当考虑以下注意注意事项：如果线缆是包含铜导体的线缆系统，那么必须考虑参考NEC和加拿大电气规范中的有关内容进行，如果是符合UL或ETL列名规范的OFN、OFNR、OFNP光缆（非金属传导光缆），是可以与电力线缆混合用于线缆桥架中；对于某些特定场所使用连锁铠装室内光缆，可以与电源线共用桥架，但是是受限的（比如隔离物等）。根据光缆应用位置不同（架空、管道和直埋），给与不同的关注，主要应当考虑：潜在问题架空安装管道安装直埋安装抗紫外能力脆弱性/硬度渗水光纤应力光纤疲劳摩擦系数牵引润滑剂的兼容性霉菌耐化学性耐压性6. 康宁公司工业布线系统解决方案作为布线行业的领先制造商，康宁公司很早就开发出特殊应用的工业级产品，并且拥有众多的行业用户，这里主要分三部分对康宁工业布线系统的解决方案进行简述：l 铜缆系统康宁工业级应用的铜缆采用PUR材料作为外护套，配合金属外壳的输出终端，最高支持800M的带宽应用，传输特性符合EN 50288-4-1 和and IEC 61156-5相关规范。与相应的硬件配合使用，系统余量超过ISO/IEC 11801 (2002) 和and EN 50173-1 (2003) 的规定。由于采用双层屏蔽结构，线对间的传输时延很低，因此，当系统从千兆网络向10G网络迁徙时，可以非常轻易满足IEEE 802.3an 规范。双层屏蔽是指每一对线对采用铝箔屏蔽，成绞的线对外再使用铜网屏蔽层，保证了出色的屏蔽特性，这对于工业环境的抗电磁特性是非常重要的。这种线缆达到辐射标准类抗干扰要求，同时也满足了EN 55024,抗干扰的要求。我们再来看看PUR材料的特性，PUR中文为聚氨酯弹性体，这种材料的主要优点是：1. 性能的可调节范围大。多项物理机械性能指标均可通过对原材料的选择和配方的调整，在一定范围内变化，从而满足用户对制品性能的不同要求，。譬如硬度等。2. 耐磨性能优越。特别是在有水、油等润湿介质存在的工作条件下，其耐磨性往往是普通橡胶材料的几倍到几十倍。3. 耐油、耐臭氧、耐老化、耐辐射、耐低温，透声性好，粘接力强。由此，我们看出，这种线缆因此具有出色的环境特性，在抵御外界如弱酸、有机酸、微生物、有机化工和稳定方面是非常合适的选择，同时具备低烟无卤的特性。在硬件选择上，工业级IP67/65 输出终端可以支持两个铜缆RJ45模块接口，可以使用表面安装的方式安装于那些严酷环境中（温度、灰尘或涉水环境）中。这类终端可以被直接用在汽车、食品和需要IP67防护级别的生产线环境中，尤其是汽车工业，因为它与PROFInet是兼容的（PROFInet是汽车行业的工业以太网标准）。对于需要额外防护的一些特殊区域也是比较好的选择。按照前述讨论的MICE分级，该输出终端为M3I3C3E3。单口双口的金属输出终端集成了扭力释放装置，可以应用在铜缆或光纤系统中，这种终端适用那些表面安装的严酷环境，同时也可以用于导轨安装（DIN规范），IP防护等级为IP20。由于不采用密封接入，对于线缆直径没有要求，如果是光缆，内部可以有满足最小弯曲半径的最多米的线缆余长。35mm导轨安装双口表面安装铜缆跳线采用达到IP67防护等级的工业六类RJ45连接器，兼容IEC 61076-3-106，坚固的外形设计适用那些严酷的工厂环境，如涉水、极限温度、灰尘、湿度等，具备阻燃和无腐蚀散发特性，线缆采用PUR外护套的多芯柔性铜缆。l 现场安装光缆系统n 室外光缆康宁公司非金属，低温煤矿和石化非金属专用光缆适用水平楼宇内部连接，符合和限制烟尘和低烟无卤的环境要求，是专为非传统、环境要求苛刻严酷的数据通信系统主干而设计的。，下表列出该类光缆的抗化学性能，测试条件是基于光缆承受100%拉伸和化学品泄露在护套材料上。化学品名暴露时间暴露温度ASTM #2 油类4158 F（70.0）除冰液（有机酸盐类）24122 F（50.0）柴油， MIL-F-168842495 F（35.0）液压油，MIL-H-560624120 F（48.8）液压油，MIL-H-1767224120 F（48.8）润滑油，MIL-L2369924120 F（48.8）除草剂168122 F（50.0）注：ASTM（American Society for Testing and Materials, ASTM），美国试验与材料协会MIL是指美国军用技术规范由于双层护套的技术让这种光缆的机械性能大大提升，拉伸强度分别达到了短期4500N，长期1500N，抗压强度为2400N/cm。对于管道和架空桥架使用的光缆，可以选择单层铠装的室内室外通用光缆，这种光缆除了机械性能以外，具备和双层铠装光缆一样的环境特性。煤矿和石化专用低温光缆截面图 非金属室内室外通用光缆（级别）n 室内光缆普通的室内光缆是不适合用于工业环境的，主要表现在机械性能上，通过在室内光缆上增加螺旋波纹铝带，达到抗压和抗冲击的作用，经过测试，连锁铠装光缆的抗压和抗冲击的性能分别达到非铠装光缆的7倍和2倍以上。同时，这种光缆具备管道利用率高、安装维护容易以及可以有效保护内部光缆等优点。说明ICEA-596ICEA-696抗压规范100 N/cm，10 分钟，10 cm 材料，负荷= 1000 N220 N/cm，1分钟，110 N/cm，10分钟，负荷=1100 N抗冲击规范150 mm处，2公斤，2.94 N.m 冲击能（在个不同位置各次） 150 mm处，3公斤，4.4 N.m 冲击能（在个不同位置各次）康宁光缆的衰减变化（挤压）SMF28e: / = 0.40 d (1550 nm) MM: / = 0.60 d (1300 nm)衰减变化 (破裂/分离/撕裂/破碎的光纤为不合格)（冲击）连锁铠装室内光缆的典型测试结果：连锁铠装光缆类型测试不合格时承受的最大负荷规范挤压室内配线光缆8000 N*（*测试设备的最大值）1000 N室内/室外松套光缆6000 N1100 N冲击室内配线光缆5.0 kg2.0 kg室内/室外松套光缆8.0 kg3.0 kgn 连接硬件室内墙装式： WCH墙装式光纤配线架为外线设备、垂直或配线光缆与光电部件之间提供互连或交叉连接的功能，可以安装在主配线架连接点(MC)或电信场所(TR)，也可以使用支架安装在相应的安装空间。对应不同的型号可以配置2个、4个、6个面板，采用坚固的金属箱体，可以增加安全锁提高安全性。室内/室外墙装式：ICH工业用配线架产品系列专为生产和工业应用环境设计的，该配线架使用带有黑色粉末复涂层的牢固的16级钢制成。ICH为室内外通用性，同时提供机架和墙装方式的安装。该配线箱有一个可以加挂锁的外门和一个可以防止进线端遭受非法操作的独立内门。目前ICH系列提供两类不同防护等级的产品，分别对应IEC IP64 测试规范和IEC IP66/IP67/IP69测试规范。光纤容量可从6芯达到6-288芯。工业环境配线中心：EDC产品系列专为生产和工业应用环境设计的，汇集了许多使产品适应网络不断变化的要求和光纤需求不断增长的光纤网络需求的设计特点。EDC产品系列作为光缆布线解决方案的组成部分，用于在户内或户外环境中存放和保护光纤连接和接合，适用的系统包括工业生产和过程控制、海事、安全或交通控制等应用系统。箱体采用特殊的材料保证了优异的化学和温度特性，达到NEMA 4X或IEC IP66级别，对于腐蚀性气体、雨、雪或灰尘等，都有很好的防护作用。l 即插即用AnyLAN 系统康宁公司是预端接系统的全球倡导者，同时也是最佳实践者，除了推出广受关注和赞誉的室内预端接即插即用光缆系统并被广泛用于金融、保险、企业和工厂的核心数据中心以外，康宁公司也较早地研发和拥有了室外预端接的即插即用系统，AnyLAN系统就是普遍用于户外交通运输、智能控制和工业环境的预端接光缆布线系统，综合而言，预端接光缆系统在以下几个方面具有传统方式无法比拟的优势：n 工厂预制系统使安装至少节约50%的时间，显著提高部署的速度n 使用标准工具和设备，在危险、牢固或高流动地点花费更少的时间等，让部署更容易；n 工厂预制系统，端接和测试高度可靠，避免了现场施工中可能带来的错误风险；n 减少了用于专业熔接和端接的专业设备，降低施工成本，和即插即用方式实现网络的可成长/扩展性的网络在制造型网络安装中，通常而言，产品和人员成本是可变成本，然而，一旦安装过程被规划完成，产品就被清楚地界定从而成本也就固定了。，事实上，在实际安装过程中，造成系统成本的主要原因包括：n 安装错误进行的产品更换；n 安装错误造成的人员成本；n 需要特殊作业人员n 受控区域和高流动区域的受限等即插即用AnyLAN 系统简介多模光缆用于主干的交叉连接以及与高密度主干光缆的连接，是即插即用AnyLAN系统的主干光缆。网络接入应根据光缆的长度进行灵活、有效布线。即插即用AnyLAN系统分支光缆应与12到144芯光缆、以及非金属可绝缘电光缆如：: ALTOS Figure-8光电缆、ALTOS铠装光电缆及FREEDM Riser光 电缆兼容。下面对于两种不同的安装方式给与了简单对比，分别是使用劳动密集和耗时的传统方法和使用工厂预端接-容易而且快捷的方法，可以让设计和施工得到一些启示。 使用传统方法即插即用系统的部署上面去掉1个“中”即插即用AnyLAN系统组成分析：图示说明：其中的MT连接器是基于OptiTip MT 连接器技术的12芯的连接器，可以选择单模/多模和4芯/6芯/12芯，实现快速的高密度连接，通常典型插损在0.25-0.35dB之间，环境特性明显，符合IP68, IP69K, GR-3152 认证，可以承受100 lb 拉力。 “Zero U” 配线面板不占用机架空间n 预先端接在即插即用点到点系统的光缆末端，在一个坚固的连接器提供4/6/12芯连接n 可以支持在即柜内导轨安装或在设备架侧面安装 集成化单面板配线盒n 12 芯或24芯(双工LC连接器)，单模或多模，1.3 dB插损n 工作温度-40C 至to +70C，可以灵活安装，小型化体积 标准单芯连接器分支跳线n 一端为多芯MT连接器，另一端为普通单芯连接器，直接与设备连接 分支光缆规格说明： 光缆视图 光缆截面图n 管道/直埋最大安装拉力负荷：短期为：1350 N (300 Ibf)，长期为：400 N (90Ibf)；n 架空可以承受的最大安装拉力负荷：1350 N (300 Ibf)；n 工作温度为： 存储: -40到+70C 安装: -30到+70C运行: -40到+70C n 可以支持最多130米左右的跨度距离；n 重量非常轻，30公斤/每公里；外径8.1* 4.5 毫米，最小弯曲半径为8厘米。l 康宁公司在工业布线方面典型解决方案的简介康宁公司为众多的国内/国际用户提供了各类的网络基础平台，包括工业网络，这是基于康宁优异的网络组件性能和用户的高