工业以太网布线注意事项

精品文档 1欢迎下载 工业以太网布线注意事项工业以太网布线注意事项 工业现场的环境比普通环境都要恶劣 至少在震动 湿气 温度上都要比普通环境恶劣 需要更多专业的 知识和实践经验 如果你正在安装或者使用一种工业以太网 工业以太网交换机 那么关于布线 信号质量 接地回路 交换机和通讯这五点内容必须要了解否则容易出现故障 更使维护成本上升 1 1 布线问题 布线问题 和所有网络一样 电缆的优劣直接影响工业以太网的优劣 而且除了高电磁干扰 EMI 工业环境中还经 常有某种等级的温度 粉尘 湿度以及其他在家庭和办公环境中不常见的影响因素 所以 如何选择电缆 在办公室内 商业等级的电缆 例如 5 类电缆 比较适合于 10MB 的网络 而 5e 类 电缆适合于 100MB 网络 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 6 类电缆能够在 100 米的范围内实现 1GB 网络 55 米范围内实现 10GB 网络 6e 类电缆可以在 100 米范围内 实现 10GB 网络 相比于 5 类电缆和 5e 类电缆 6 类电缆不易受串扰和外部 EMI 噪声影响 工业以太网电缆的设计能够抵御 更加严酷的工业环境对电缆的物理侵蚀 在安装 6 类电缆时 确保 RJ45 接口和插座也能够达到 6 类等级 最好 的使用方法是 短距离布线时 使用预先做好的接插电缆 并在工厂内安装连接器 长距离布线时使用插座 2 2 电缆 屏蔽 接地回路 电缆 屏蔽 接地回路 一些应用场合需要做屏蔽 但是如果屏蔽电缆安装不当 那么会适得其反 当超出保护套管时 屏蔽以太网电缆在 EMI 环境中的性能更好 良好的接地是使用屏蔽电缆的关键 一个 接地参考点是关键中的关键 多个接地连接会形成接地回路 不同接地连接处电势的不同会在电缆中引入噪声 接地回路会给你的网络带来巨大的破坏 为了解决这个问题 只在电缆的一端使用接地 RJ45 接口 另一端 使用绝缘的 RJ45 接口以消除接地回路的可能性 如果以太网电缆与电缆交叉布线 那么交叉角度颇有讲究 将并列的以太网电缆和电源电缆相隔至少 8 到 1 2 英寸 如果电压较高或者并列距离较长 那么这个间隔距离应该更大 如果以太网电缆在金属沟槽或者套管内 走线 那么相邻的沟槽或者套管必须连接在一起以实现连续性 大体来讲 以太网电缆尽量远离能够产生 E MI 的设备 例如电机 电机控制设备 照明设备 带电导体等 在面板上 以太网电缆与连接器间隔至少 2 英 寸 当电缆远离 EMI 干扰源时 遵循推荐的电缆弯曲半径 3 3 交换机 交换机 VSVS 集线器集线器 简单地说 工业以太网环境中不要使用集线器 集线器只不过是一个多端口的中继器 如果集线器被排除 在外的话 剩下的选择就只有管理型交换机和非管理型交换机了 管理型的交换机更好 当然它的价格也比非 管理型的交换机要贵 网络上的每一台设备都有一个独一无二的标识符 就是我们所说的 MAC 地址 这是交换机比集线器具有更 优秀的识别能力的关键 当交换机刚刚上电的时候 它最初的表现和集线器没有区别 将所有的通讯内容都广播出去 但随着网络 上的设备将信息在交换机的不同端口上传输 交换机开始监控通讯内容 识别出哪一个 MAC 地址与哪一个端口 相关 然后在 MAC 地址表中做出标识 一旦交换机发现设备的 MAC 地址与某个特定的端口相连接 它就会监控 指向那个 MAC 地址的信息 然后将这些信息仅仅发送给那个特定的地址 工业以太网网络有三种通讯类型 点对点的单播通讯 一对多的组播通讯和一点到所有节点的广播通讯 精品文档 2欢迎下载 当交换机的 MAC 地址表建立完成之后 管理型交换机和非管理型交换机对单播通讯和广播通讯的处理方式 没有什么不同 一般来说 在 100MB 的带宽下 将广播频度控制在每秒钟 100 个广播 对于任何网络来说 都 会或多或少地存在广播通讯 一个例子就是打印服务器会周期性地在网络上给出广播通知 4 4 窥探 不仅仅是监听 窥探 不仅仅是监听 管理型交换机和非管理型交换机的一个主要的区别就在于它们对待组播通讯的处理方式 组播通讯通常来 自于搭载在工厂过程网络上的智能设备 采用面向连接的基于生产厂商 用户模型的技术 这种情况下的连接仅 仅是网络上两个或者多个节点之间的关系 要想能够接收组内信息 设备必须加入组播通讯小组 组内所有的成员都能够接收到数据 如果仅仅是向 小组发送数据 那么你无需成为小组成员 在生产厂商 用户模型中 组播通讯的主要问题就是随着小组成员数 量的增加 通讯信息呈指数地增长 此时 就需要使用管理型的交换机了 管理型交换机能够打开互联网组管理协议 IGMP 窥探功能 它是这样工作的 当 IGMP 窥探功能打开后 它会发出广播通讯以判断任何组播小组内的成员 使用这些信息 加上已经建好的 MAC 地址表 管理型交换机 就能够将组播通讯仅仅发送给组播小组内的成员 非管理型的交换机对组播数据和广播数据的处理方式一样 都是将数据发送给每一个节点 如果网络使用了生产厂商 用户技术或者使用了组播通讯 那么管理型交换机是物有所值的不二之选 5 5 镜像端口 故障排查 镜像端口 故障排查 考虑使用管理型交换机还有很多其他原因 这种等级的交换机通常都提供故障日志功能 能够控制每个端 口的速度 具有冗余设置以及端口镜像功能 这些额外能力能够保证对网络行为进行更加精确的控制 而且在 故障排查的时候能起到非常宝贵的作用 我们知道 对于网络上的某些节点 故障是无法避免的 当网络性能出现问题时 首先就要检查交换机 虽然对于大多数网络性能问题来说 交换机很少是问题的 核心 交换机是系统中最可能发生问题的节点 它的工作速率通常是其他网络部件工作速率的 10 到 50 倍 虽然总有一种很好的软件能够帮助你对网络故障问题进行排查 但是大多数这种软件仅仅能看到广播通讯 和组播通讯 这实际上很合理 因为很多性能问题通常都源自不受限的组播通讯或者过多的广播通讯 如果你 出于某种原因需要检查单播通讯 那么端口镜像是唯一的途径 如果网络上没有组播通讯的话 那么使用非管理型的交换机也没什么问题 在只搭载了很少设备的小型简 单网络上 很多人使用非管理型的交换机 有时候也可以将这两种类型的交换机结合使用 将一些远程设备搭载在非管理型的交换机上 统一向管理 型的交换机反馈 对于那些节点数量很多的网络 如果成本不是一个关键因素 那么还是选择管理型的交换机吧 事后想来 这确实是一个明智的选择 工业布线解决方案的应用分析 对工业对工业网络网络系统应用的分析系统应用的分析 精品文档 3欢迎下载 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 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 且工控网络越来越庞大 网络节点越来越多 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 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 以太网是电子数据处理系统中最广泛的通信技术 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 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 开放式协议和平台 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 Powerlink 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 精品文档 4欢迎下载 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 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 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 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 精品文档 5欢迎下载 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 自动化工厂 汽车工业 机器 物料运输等 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 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 对工业对工业布线布线系统应用的分析系统应用的分析 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 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 精品文档 6欢迎下载 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 精品文档 7欢迎下载 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 工业工业布线布线标准标准 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 精品文档 8欢迎下载 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 E1E2E3 M1I1C1E1 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