工業(yè)以太網(wǎng)由于其固有的可靠性、高性能和互操作性，已經(jīng)滲透到工廠車(chē)間，成為自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的首選通信協(xié)議。近年，工業(yè)以太網(wǎng)的市場(chǎng)份額已經(jīng)超過(guò)了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，后者通常需要多個(gè)獨(dú)立和專(zhuān)有的布線設(shè)施。
為了滿足工業(yè)環(huán)境需要，工業(yè)以太網(wǎng)本質(zhì)上使用封裝在以太網(wǎng)協(xié)議中的特殊工業(yè)協(xié)議，以確保在需要執(zhí)行特定操作的時(shí)間和位置發(fā)送和接收正確信息。讓我們來(lái)看看這些協(xié)議，研究一下工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)環(huán)境的區(qū)別。
工業(yè)數(shù)據(jù)通信發(fā)生在路由層、控制層和傳感器層——每一層都需要不同級(jí)別的實(shí)時(shí)信息傳輸、沖突檢測(cè)和決策(本質(zhì)上預(yù)先確定任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路由)。雖然有好幾種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以支持工廠的各種通信要求，但有四個(gè)主要協(xié)議值得關(guān)注——Modbus TCP/IP、EtherCat、EtherNet/IP和Profinet
Modbus TCP/IP是首個(gè)推出的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，它本質(zhì)上是一種傳統(tǒng)的Modbus通信，在以太網(wǎng)傳輸層協(xié)議中壓縮，用于在控制設(shè)備之間傳輸離散數(shù)據(jù)。它利用簡(jiǎn)單的主從通信，其中“從”節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有來(lái)自“主”節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求的情況下不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，因此其不被視為真正的實(shí)時(shí)協(xié)議。
EtherCAT于2003年推出，是一種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可為自動(dòng)化系統(tǒng)提供主/從配置的實(shí)時(shí)通信。EtherCAT的關(guān)鍵要素是所有聯(lián)網(wǎng)從機(jī)都能夠從數(shù)據(jù)包中僅提取所需的相關(guān)信息，并在向下游傳輸時(shí)將數(shù)據(jù)插入幀中——通常稱(chēng)為“飛速”通信。
以太網(wǎng)/IP最初于2000年推出，是一種主要由羅克韋爾自動(dòng)化公司提供的廣泛應(yīng)有的應(yīng)用層工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，由開(kāi)放式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商協(xié)會(huì)(ODVA)提供支持。它是唯一一個(gè)完全基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)并使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。由于其采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換，因此可支持無(wú)限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)。然而，要求限制距離，以避免延遲并支持實(shí)時(shí)通信。
另一個(gè)重要協(xié)議(很大程度上是由于嵌入至西門(mén)子和GE控制器之中)是Profinet，是西門(mén)子與Profibus用戶(hù)組織的成員公司共同開(kāi)發(fā)的應(yīng)用協(xié)議。它利用集成至設(shè)備中的特殊交換機(jī)本質(zhì)上將Profibus I/O控制器通信擴(kuò)展至以太網(wǎng)。
對(duì)于支持這些工業(yè)以太網(wǎng)的電纜設(shè)備而言，與商用以太網(wǎng)LAN相比，存在一些關(guān)鍵差異。首先，我們所說(shuō)的工業(yè)以太網(wǎng)的速度遠(yuǎn)低于我們?cè)贚AN中看到的千兆位和更高帶寬需求——100 Mb/s左右是工業(yè)以太網(wǎng)的常見(jiàn)速度。這是有道理的，因?yàn)榕c從YouTube下載視頻相比，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送控制和自動(dòng)化信息所需的帶寬只是個(gè)零頭。
由于工業(yè)環(huán)境要求電纜和連接必須能夠抵御各種惡劣條件(振動(dòng)、液體、灰塵、化學(xué)物質(zhì)和電磁干擾———即滿足MICE的環(huán)境要求)，因此這些組件的結(jié)構(gòu)要比辦公室LAN中使用的組件更為堅(jiān)固。例如，雖然所用電纜可能只需要具有5類(lèi)或超5類(lèi)線性能，但工業(yè)電纜通常具有更大規(guī)格(通常為22AWG)以適應(yīng)更高溫度，具有屏蔽結(jié)構(gòu)以防止噪音，采用多股絞合導(dǎo)線以實(shí)現(xiàn)柔韌性，以及采用聚氨酯等特殊護(hù)套材料以實(shí)現(xiàn)耐化學(xué)性、耐油性和耐磨性。導(dǎo)體本身甚至可以進(jìn)行涂覆處理以防止被腐蝕。上述特性使得工業(yè)以太網(wǎng)電纜的價(jià)格比普通LAN電纜高得多。
工業(yè)以太網(wǎng)中使用的連接器也需要更加可靠。雖然專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的加固型RJ45連接器采用密封以實(shí)現(xiàn)防塵防水，并具有耐化學(xué)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(yè)以太網(wǎng)中得到更廣泛應(yīng)用，即使受到?jīng)_擊和振動(dòng)，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(hù)選項(xiàng)，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(shí)現(xiàn)多種機(jī)械連接，最常見(jiàn)的為4針或8針。4針支持大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用中的100 Mb/s速率，而千兆以太網(wǎng)要求采用8針連接器，需要全部四對(duì)線進(jìn)行傳輸——聽(tīng)起來(lái)很熟悉吧？對(duì)于PoE，4針M12也只支持Type 1 PoE，利用同一對(duì)線同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和直流電源，而Type 2及更高類(lèi)型則需要8針M12。M12至RJ45電纜組件也很常見(jiàn)，只需要將電纜的一端連接到存在沖擊和振動(dòng)情況的機(jī)械即可。
隨著工業(yè)以太網(wǎng)不斷擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)組織不斷開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為其提供支持，福祿克網(wǎng)絡(luò)將幫助您與時(shí)俱進(jìn)，快速了解如何測(cè)試和認(rèn)證這些系統(tǒng)......敬請(qǐng)期待。
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