以太網(wǎng)最初于 1970 年代由施樂(lè)帕洛阿爾托研究中心 (PARC)開(kāi)發(fā),現(xiàn)已發(fā)展成為世界上最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在過(guò)去的幾十年里,標(biāo)準(zhǔn)的巨大變化和擴(kuò)展使以太網(wǎng)能夠解決最初開(kāi)發(fā)人員從未設(shè)想過(guò)的各種應(yīng)用。
這些應(yīng)用之一是工業(yè)以太網(wǎng)。供應(yīng)商和標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)采用以太網(wǎng)的底層物理層來(lái)創(chuàng)建各種技術(shù),例如 PROFINET、Ethernet/IP(工業(yè)協(xié)議)、EtherCAT 和 Modbus-TCP,這些技術(shù)針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)行了優(yōu)化。
圖 1. DSX CableAnalyzer™屏幕顯示不同端到端電纜配置的測(cè)試限制,包括 E1、E2 和 E3 限制。
布線標(biāo)準(zhǔn)和連接器
所有工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用都設(shè)計(jì)為在類似于“常規(guī)”以太網(wǎng)中使用的雙絞銅線或光纖電纜上工作,并針對(duì)工廠環(huán)境進(jìn)行了一些修改。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO)和電信行業(yè)協(xié)會(huì) (TIA)制定了一套規(guī)范來(lái)定義工業(yè)場(chǎng)所內(nèi)的潛在環(huán)境條件。這些被稱為機(jī)械、入口、氣候/化學(xué)、電磁 (MICE) 規(guī)范。MICE 級(jí)別描述了不同程度的環(huán)境條件,MICE 1 定義了典型的辦公環(huán)境,MICE 2 定義了稍微惡劣的環(huán)境,MICE 3 定義了重工業(yè)。
為了滿足這些要求,供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了專門(mén)的電纜和連接器。這包括可以在被擠壓、加熱、浸入或暴露于腐蝕性化學(xué)品時(shí)運(yùn)行的電纜。在大多數(shù)情況下,這會(huì)影響對(duì)電纜外護(hù)套的要求,而無(wú)論是 MICE 1 還是 MICE 3,電氣特性都保持不變。但是,在電磁要求中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著差異,其中對(duì)橫向轉(zhuǎn)換損耗的具體要求(TCL) 指定用于 E1、E2 和 E3。該規(guī)范測(cè)量電纜抵抗外部電信號(hào)干擾的能力,例如由焊工、變速驅(qū)動(dòng)器和高壓電源產(chǎn)生的電信號(hào)。
連接器受到特殊審查,因?yàn)樗鼈兛赡艹蔀槿肟邳c(diǎn)。一種方法是將標(biāo)準(zhǔn) 8 針模塊化連接器 (RJ-45) 裝入密封的旋入式插座中。該連接器的優(yōu)點(diǎn)是與大多數(shù)“常規(guī)”以太網(wǎng)設(shè)備和電纜兼容。“M12”連接器專為更嚴(yán)格的沖擊和振動(dòng)應(yīng)用而開(kāi)發(fā),具有小型圓形鎖定螺釘型連接器,可包括兩對(duì) (M12-D) 或四對(duì) (M12-X)。常見(jiàn)的工業(yè)布線配置包括電纜一端的模塊化 8 針連接器,連接到另一端的 M12 連接器。
布線問(wèn)題
圖 2. DSX CableAnalyzer顯示屏顯示 TIA 1005 6A 類鏈路通過(guò) E2 限制的測(cè)試結(jié)果。
超過(guò)一半的工業(yè)以太網(wǎng)問(wèn)題可以追溯到布線。其中一些會(huì)在啟動(dòng)過(guò)程中立即出現(xiàn) - 其他可能會(huì)允許連接正常運(yùn)行,直到環(huán)境變化等因素導(dǎo)致通信失敗。以太網(wǎng)是一種強(qiáng)大的技術(shù),即使在邊緣情況下也可以繼續(xù)進(jìn)行通信 - 但這些情況的變化可能會(huì)導(dǎo)致通信問(wèn)題或未來(lái)完全失敗。以下是布線最常見(jiàn)的問(wèn)題。
連接性
布線的最基本要求是一端的引腳連接到另一端的正確引腳。布線中的任何錯(cuò)誤接線或開(kāi)路都會(huì)導(dǎo)致硬通信故障。一個(gè)不太容易理解的接線問(wèn)題是所謂的“分線對(duì)”,當(dāng)引腳連接到另一端的適當(dāng)引腳時(shí),但電纜配對(duì)不正確。這可能導(dǎo)致間歇性或硬故障。
長(zhǎng)度
通常,以太網(wǎng)電纜的長(zhǎng)度限制為 100 米。太長(zhǎng)的電纜會(huì)在兩個(gè)方面引起問(wèn)題。首先,信號(hào)在通過(guò)電纜傳輸時(shí)會(huì)減弱——如果電纜太長(zhǎng),它們可能太弱而無(wú)法在遠(yuǎn)端正確接收。其次,以太網(wǎng)被設(shè)計(jì)為在特定時(shí)間范圍內(nèi)預(yù)期響應(yīng)——電纜太長(zhǎng)造成的延遲會(huì)干擾這個(gè)時(shí)間。這些錯(cuò)誤中的任何一個(gè)都可能導(dǎo)致硬故障或間歇性問(wèn)題。例如,由于電纜的損耗隨溫度而增加,因此過(guò)長(zhǎng)的電纜可能在較低溫度下可以接受傳輸,但在較高溫度下會(huì)失效。
相聲
這是對(duì)電纜內(nèi)線對(duì)之間電磁干擾的測(cè)量。例如,在“發(fā)送”對(duì)上傳輸?shù)男盘?hào)可能會(huì)在接收對(duì)上產(chǎn)生干擾信號(hào)。發(fā)射器可以將此干擾解釋為傳入信號(hào)并停止發(fā)送。同樣,這可能會(huì)導(dǎo)致硬故障或間歇性故障。隨著信號(hào)頻率的增加,串?dāng)_也會(huì)增加,使其成為網(wǎng)絡(luò)電纜最大性能的主要決定因素。
圖 3. DSX CableAnalyzer顯示 E3 級(jí)別測(cè)試失敗的結(jié)果。注意 TCL 故障。
盾牌完整性
許多工業(yè)以太網(wǎng)電纜都包含一個(gè)屏蔽層——通常是一個(gè)金屬箔,將每對(duì)電纜包裹在外部電纜護(hù)套內(nèi)。此屏蔽的目的是減少外部電磁干擾 (EMI) 的影響,該干擾可能來(lái)自電纜附近的高壓或大電流設(shè)備。EMI 可能會(huì)導(dǎo)致電纜上的傳輸錯(cuò)誤,從而導(dǎo)致速度減慢甚至完全故障。這可能是一個(gè)非常難以解決的問(wèn)題,因?yàn)樗粫?huì)在干擾大到足以克服信號(hào)平衡時(shí)發(fā)生,例如當(dāng)附近的電機(jī)啟動(dòng)或使用焊接工具時(shí)。為了使屏蔽有效地工作,沿整個(gè)路徑屏蔽電纜至關(guān)重要——即使屏蔽連續(xù)性的一個(gè)中斷也會(huì)大大降低其性能。所以,屏蔽測(cè)試必須能夠確保電纜的整個(gè)路徑都被屏蔽。這是一個(gè)特別困難的測(cè)量,因?yàn)槠帘瓮ǔJ墙拥氐。如果兩端都接地,?jiǎn)單的直流測(cè)量將無(wú)法確定屏蔽是否連續(xù)。
橫向轉(zhuǎn)換損耗 (TCL)
這是電纜“平衡”的衡量標(biāo)準(zhǔn)——它在一對(duì)的兩根線上傳輸相等信號(hào)的能力。雙絞線電纜依靠一對(duì)內(nèi)兩條線上相等但相反的信號(hào)之間的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)高水平的抗噪性。如果布線導(dǎo)致信號(hào)不相等,則外部噪聲可能會(huì)對(duì)信號(hào)造成干擾,并使信號(hào)失真到接收設(shè)備無(wú)法識(shí)別的程度。如上所述,EMI 問(wèn)題很難隔離和解決。為了解決這個(gè)問(wèn)題,標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)制定了 TCL 對(duì) MICE E1、E2 和 E3 環(huán)境布線的要求。
請(qǐng)務(wù)必注意,使用經(jīng)制造商認(rèn)證以滿足上述要求的電纜和連接器對(duì)于確保無(wú)錯(cuò)誤操作至關(guān)重要,但這不能保證。有時(shí),即使是最好的供應(yīng)商也可能生產(chǎn)出不合規(guī)格的產(chǎn)品,更常見(jiàn)的是,不正確的安裝技術(shù)可能會(huì)將一系列頂級(jí)組件變成性能不佳的鏈接。
電纜測(cè)試意味著更多的正常運(yùn)行時(shí)間
圖 4. DSX CableAnalyzer可以發(fā)現(xiàn)各種各樣的布線故障,并以任何技術(shù)人員都能理解的方式顯示它們。
配備了適當(dāng)?shù)碾娎|測(cè)試工具并對(duì)其使用有基本了解的組織可以通過(guò)三種方式使用它們來(lái)增加正常運(yùn)行時(shí)間:
更快的啟動(dòng)
在連接電纜之前測(cè)量上述參數(shù)是確保它符合所有要求的規(guī)格并因此正常工作的唯一方法。
防止計(jì)劃外停機(jī)
僅僅因?yàn)殡娎|可以在啟動(dòng)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)并不能保證它在所有情況下都能繼續(xù)工作。安裝后環(huán)境的變化可能會(huì)導(dǎo)致失敗。如果根據(jù)上述參數(shù)對(duì)電纜進(jìn)行測(cè)試并通過(guò),則可以消除基于這些因素的后續(xù)電纜故障的可能性。
更快地解決問(wèn)題
即使是經(jīng)過(guò)測(cè)試的電纜也可能因?yàn)E用(例如意外切割、拉開(kāi)或熔化)而失效。在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下,能夠快速診斷布線問(wèn)題可以節(jié)省大量時(shí)間。無(wú)需花費(fèi)數(shù)小時(shí)更換可疑電纜,只需幾秒鐘的測(cè)試即可驗(yàn)證它是否正常,因此故障排除工作可以集中在其他地方。如果電纜壞了,測(cè)試儀中的診斷可以查明問(wèn)題。例如,知道故障出在遠(yuǎn)端連接器意味著您需要花費(fèi)幾分鐘更換一個(gè)壞的連接器,而不是花費(fèi)數(shù)小時(shí)重新布線全新的電纜。
總之,安裝后測(cè)試電纜可以加快啟動(dòng)過(guò)程并防止將來(lái)出現(xiàn)問(wèn)題。在發(fā)生故障時(shí)使用方便的電纜測(cè)試儀可以節(jié)省數(shù)小時(shí)的故障排除和停機(jī)時(shí)間。
工業(yè)以太網(wǎng)電纜測(cè)試工具
電纜測(cè)試工具可分為兩類:部署前測(cè)試器和嵌套電纜和網(wǎng)絡(luò)的故障排除器。
圖 5. Cable+Network 測(cè)試儀,例如LinkIQ™可以顯示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),包括交換機(jī)端口、名稱、VLAN 和速度設(shè)置。
預(yù)部署(調(diào)試)測(cè)試人員
這些工具提供對(duì)上述所有布線參數(shù)的測(cè)試,包括串?dāng)_、屏蔽完整性和 TCL。DSX CableAnalyzer 系列是唯一可以測(cè)量所有這些參數(shù)的電纜測(cè)試儀,包括沿電纜路徑的屏蔽完整性。測(cè)試人員生成 PASS 或 FAIL 結(jié)果,并可以創(chuàng)建報(bào)告用于記錄目的。啟動(dòng)前使用認(rèn)證工具進(jìn)行測(cè)試是了解電纜是否滿足上述所有要求規(guī)格的唯一方法,也是防止電纜問(wèn)題的最佳方法。這些工具也可用于故障排除,不僅可以定位損壞的電纜,還可以定位更困難的問(wèn)題,例如電纜中的水或不符合規(guī)范的連接器。
有線+網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀
這些工具提供了測(cè)試工業(yè)以太網(wǎng)布線以及連接到該布線的有源設(shè)備的能力。他們驗(yàn)證電纜是否已正確連接(包括分對(duì)測(cè)試),并且可以測(cè)量電纜的長(zhǎng)度并確定電纜斷裂的位置。他們還可以驗(yàn)證所連接的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),顯示端口速度和以太網(wǎng)供電,在某些情況下,還可以顯示交換機(jī)名稱、端口號(hào)和 VLAN。這可以通過(guò)消除布線或交換機(jī)操作和配置問(wèn)題來(lái)節(jié)省大量時(shí)間,從而使團(tuán)隊(duì)能夠?qū)W⒂趩?wèn)題的真正所在。
無(wú)法投資認(rèn)證測(cè)試人員的團(tuán)隊(duì)仍然可以通過(guò)租用他們或聘請(qǐng)布線承包商在啟動(dòng)前測(cè)試電纜來(lái)從他們的新項(xiàng)目中受益。電纜+網(wǎng)絡(luò)工具的低成本允許它們?cè)谌魏卧O(shè)施中隨時(shí)可用,從而消除了在發(fā)生故障時(shí)安排租賃或承包商所需的時(shí)間。他們的成本很容易在解決單個(gè)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)節(jié)省的時(shí)間中收回。
用于工業(yè)以太網(wǎng)的 Fluke Networks 電纜測(cè)試產(chǎn)品比較
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MicroScanner™ PoE-IE
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LinkIQ™-IE
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DSX™ 系列
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主要應(yīng)用
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電纜+網(wǎng)絡(luò)故障排除
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電纜+網(wǎng)絡(luò)故障排除
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電纜安裝、故障排除
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連接性
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X
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X
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X
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長(zhǎng)度
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X
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相聲
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X
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X
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盾牌完整性
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基本的
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先進(jìn)的
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TCL / MICE“E”級(jí)
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報(bào)告
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X
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X
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故障排除
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基本的
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基本的
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先進(jìn)的
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網(wǎng)絡(luò)測(cè)試
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速度高達(dá) 10 Gb/s PoE 電源
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速度高達(dá) 10 Gb/s、交換機(jī)名稱、端口、VLAN、PoE 電源、端口閃爍
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連接器支持
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RJ45、M12D、M12X 和 M8D
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RJ45、M12D、M12X 和 M8
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RJ45、M12D 和 M12X
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