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從1973年以太網(wǎng)誕生開始，這個世界就注定將變得更加五彩斑斕。
在百兆、千兆、萬兆等各種標準的推動下，如今以太網(wǎng)已經(jīng)成為了應(yīng)用最廣泛的LAN協(xié)議和國際計算機行業(yè)標準。隨著工業(yè)從3.0步入4.0時代，以太網(wǎng)也逐漸從人們的日常生活向工業(yè)領(lǐng)域邁進。
“把設(shè)備連接成一個可以相互通信的網(wǎng)絡(luò)”，這個想法其實早在工業(yè)3.0時代就已出現(xiàn)。上個世紀70年代開始，人們便著手研發(fā)各種不同種類的工業(yè)現(xiàn)場總線，但由于缺乏統(tǒng)一、開放的通信標準，不同現(xiàn)場總線之間通信困難的問題難以解決。為了突破這一技術(shù)瓶頸，工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)運而生。
雖說工業(yè)以太網(wǎng)就是將普通以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)，但從專業(yè)角度看，工業(yè)以太網(wǎng)是建立在IEEE802.3系列標準和TCP/IP上的分布式實時控制通信網(wǎng)絡(luò)，適用于數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸速度要求較高、實時性高的場合。
與普通以太網(wǎng)相比，工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢十分明顯：
一是應(yīng)用廣泛。采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，就可以選擇多種開發(fā)工具、開發(fā)環(huán)境。
二是通信速率高。相比傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率只有12M，高速以太網(wǎng)的通信速率可以高達100M或1，000M，目前10G的以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，可以滿足對帶寬的更高要求。
三是成本低廉。由于以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛，因此具有豐富的軟硬件資源，而其網(wǎng)卡的價格只有現(xiàn)場總線的十幾分之一，并隨著技術(shù)發(fā)展還會進一步下降。
四是可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)，就可以避免其發(fā)展游離于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展主流之外，從而使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同發(fā)展，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。
憑借這些優(yōu)勢，工業(yè)以太網(wǎng)深受廣大用戶歡迎。然而，正如世界上沒有一個十全十美的人，工業(yè)以太網(wǎng)也并不是完美無缺的。上述提到，工業(yè)以太網(wǎng)的本質(zhì)是將普通以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)，但普通以太網(wǎng)在設(shè)計之初，是以辦公自動化為目標設(shè)計的，并沒有考慮到工業(yè)控制的應(yīng)用需求，因此想要讓以太網(wǎng)適配工業(yè)領(lǐng)域，仍有許多問題亟待解決。
一方面，普通以太網(wǎng)所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領(lǐng)域設(shè)計的，未針對較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，所以當這些商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署于工業(yè)現(xiàn)場時，不具備基本的安全性能，面對嚴重的電磁干擾等惡劣的工作環(huán)境，就會產(chǎn)生開放性、同步性、可靠性、抗干擾性及安全性等諸多方面的問題。
另一方面，工業(yè)現(xiàn)場中工廠或機械的工藝應(yīng)用要求決定了工業(yè)以太網(wǎng)需要具備實時性，尤其在一些高精度的控制系統(tǒng)中，但普通以太網(wǎng)是“盡力而為”的傳輸，顯然不具有實時性。
總而言之，工業(yè)環(huán)境的確定性決定了工業(yè)以太網(wǎng)必須可靠穩(wěn)定，而以往的商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備顯然無法滿足這個要求，亟需新的、優(yōu)秀的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)器件。
以太網(wǎng)連接器
以太網(wǎng)連接器指的是用于以太網(wǎng)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)連接器。在工業(yè)自動化設(shè)備中，控制系統(tǒng)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信等均需要用到以太網(wǎng)連接器。
與傳統(tǒng)連接器相比，工業(yè)以太網(wǎng)連接器體積更小，傳輸速率更高，為以太網(wǎng)絡(luò)中傳感器微型化節(jié)省空間的同時，還可以提供經(jīng)濟高效的鏈接。更重要的是，為了避免受到惡劣工業(yè)環(huán)境的影響，工業(yè)以太網(wǎng)連接器的防護等級和屏蔽性能都大幅提升，即便是在水侵和腐蝕性的環(huán)境中，依然可以保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
其中，SPE連接器是一個更新的應(yīng)用于工業(yè)以太網(wǎng)的連接方案。SPE技術(shù)只用通過一對雙絞線提供高速數(shù)據(jù)傳輸以及電源，傳輸速度可以達到1Gbps，傳輸距離也可以達到1km，可大幅度降低現(xiàn)場布線的成本，提高靈活性。還保留了工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的開放性、可靠性和對于多種應(yīng)用的靈活性，真正實現(xiàn)了一個低姿態(tài)、經(jīng)濟高效、易于安裝的系統(tǒng)，并增強了數(shù)據(jù)分析和更快的錯誤響應(yīng)，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展開辟了全新的可能性和應(yīng)用領(lǐng)域。
同時還有Phoenix Contact SPE連接器，通過以太網(wǎng)為工廠和流程自動化提供并行的高性能數(shù)據(jù)和電力傳輸。該系列具有范圍遠達1，000M的靈活性和高達1Gbps的傳輸特性，應(yīng)用范圍包括樓宇和工廠自動化、機器人技術(shù)、鐵路行業(yè)和照明等。
電阻器
工業(yè)以太網(wǎng)在為設(shè)備之間的互聯(lián)提供更便利連接方案的同時，也對其電路保護提出了更高的要求。電路保護不僅有助于電子設(shè)備保持其設(shè)計功能，還可以增強可靠性。
雖然電阻器本身并不是保護器件，但在多個不同保護器件組合構(gòu)成的防護電路中，也可以起到配合的作用。像電流檢測電阻器就可以用來測量“多大”電流在電路中流動，以及當電流“過大”或出現(xiàn)故障時及時做出判斷。如果電流超過了安全限值，滿足軟件或硬件互鎖條件，就會發(fā)出“關(guān)掉設(shè)備”信號。
電纜
當然，可靠穩(wěn)定的工業(yè)以太網(wǎng)也離不開更堅固的電纜。和所有網(wǎng)絡(luò)一樣，當干擾存在時，電纜的平衡性和穩(wěn)定性對工業(yè)以太網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用。
雖然在數(shù)據(jù)傳輸能力方面，工業(yè)以太網(wǎng)電纜與商業(yè)級沒有區(qū)別，但由于工業(yè)環(huán)境存在著EMI，以及溫度、粉塵、濕度等其他在家庭和辦公環(huán)境中不常見的影響因素，因此根據(jù)使用環(huán)境的不同，工業(yè)以太網(wǎng)電纜可能具有不同的額定溫度和護套材料。
工業(yè)以太網(wǎng)交換機
作為以太網(wǎng)連接設(shè)備發(fā)展的下一代產(chǎn)品，工業(yè)以太網(wǎng)交換機的功能更多更復雜，除了具備堅固耐用的設(shè)計，可運作于嚴苛的工業(yè)環(huán)境中，還具備網(wǎng)絡(luò)管理及監(jiān)控功能。當然，隨之而來的要求也更多，比如工業(yè)以太網(wǎng)交換機需要防水、防塵、抗震、抗電磁干擾，以及較高的可靠性要求，保證24小時不間斷長期運行。
與普通交換機的相比，工業(yè)以太網(wǎng)交換機的優(yōu)勢十分明顯，可以構(gòu)建不同的拓撲結(jié)構(gòu)、靈活的組網(wǎng)方式、環(huán)網(wǎng)的自愈能力、以及系統(tǒng)冗余能力。
其中，環(huán)網(wǎng)自愈能力就是環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)點。使用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，交換機可以組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，每臺交換機能自動判斷最優(yōu)傳輸路徑和備用路徑，當優(yōu)先路徑中斷時自動啟用備用路徑，從而實現(xiàn)快速自愈。
更重要的是，利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機，可以通過組建冗余網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)連接可靠性。
從目前的發(fā)展趨勢來看，未來一段時間內(nèi)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域仍然將是工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線并存發(fā)展，但在工業(yè)以太網(wǎng)快速發(fā)展趨勢下，全面替代現(xiàn)場總線的進程是無可避免的。毫無疑問，工業(yè)以太網(wǎng)的可靠穩(wěn)定性必將成為未來研發(fā)的重點方向，而上述提到的連接器、電阻器、電纜等元件就是其不可忽視的“制勝法寶”。【1】
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【1】節(jié)選自《電子發(fā)燒友》