原标题：使用基于工业以太网的电源和数据网络设计坚固的物联网应用

　　将制造设施连接到 Internet 可以提高效率、质量和生产力。例如，可以对机器进行远程编程和控制，可以持续分析来自机器和过程的数据以检查过程错误或漂移，并且可以进行远程调整以在封闭的反馈循环中调整生产。从长远来看，这些数据可用于规划未来的扩展和新制造技术的更快速集成。

　　虽然连通性的案例很充分，但如何实现连通性需要认真考虑。有很多选择，但以太网为工厂网络提供了一种可访问且经过验证的解决方案。它是全球使用最广泛的有线网络选项，具有良好的供应商支持和与云的无缝互操作性。更好的是，电缆可用于传输电力(以太网供电 (PoE))和数据，这意味着一组布线既可以支持网络，又可以为连接的传感器、执行器和其他设备(如相机)供电。

　　然而，标准以太网并不能胜任工业工作。硬件并非设计用于在炎热、肮脏和易振动的工厂环境中可靠运行。此外，标准以太网协议是非确定性的，因此不适合工厂环境的需求，因为工厂环境的生产需要近乎实时的控制来管理高速流程。

　　工业以太网带来了标准以太网的所有优点，但增加了坚固性和确定性软件。它是一种经过验证且成熟的工业自动化技术，不仅可以将过程数据发送到云端，还可以让远程主管轻松访问制造车间的驱动器、PLC 和 I/O 设备。以太网标准 IEEE 802.3cg 的修订版仅使用一对电线进行数据传输，从而减少了工厂布线的体积和成本。

　　在概述以太网和工业以太网之间的区别之前，本文讨论了工业应用面临的连接挑战。然后，本文在介绍Amphenol的实际硬件之前考虑了 PoE 和单对以太网 (SPE) 技术的使用，以及如何在工业以太网网络中实现它。

　　以太网对工业的挑战

　　虽然 Wi-Fi 可能是消费者连接到 Internet 的最流行方式，但商业场所通常使用以太网有线局域网 (LAN) 技术将计算机和其他设备连接在一起。

　　在以太网的初期，网络上的计算机使用单一总线进行通信。这种类型的网络是最简单的配置，而且便宜且易于设置。但是，它的效率相对较低，因为连接的计算机会争夺带宽，从而导致拥塞、丢包和带宽显着减少。

　　当今的办公网络通常使用星形、树形或网状拓扑，其中交换机控制对网络的访问以限制拥塞以维持吞吐量。以太网流量由交换机控制，因此直接消息仅在需要通信的设备之间传递，而不是在整个网络上广播(图 1)。

　　图 1：以太网交换机控制对网络的访问以限制拥塞并保持吞吐量。(图片来源：安费诺)

　　基于不断更新的标准 (IEEE 802.3)，以太网经过验证、安全、可靠，并提供高达数百千兆字节 (Gbytes) 的吞吐速度。虽然不是标准的一部分，但以太网通常使用 TCP/IP(互联网协议 (IP) 套件的一部分)进行路由和传输，从而实现与互联网的无缝连接。它还使网络能够通过数百家供应商提供的电缆、连接器和交换机轻松扩展。

　　以太网已经发展到通过单根以太网 CAT 3 或 CAT 5 电缆将电源和通信结合起来，相对于采用单独系统的安装，工程师能够快速、廉价地构建低维护以太网和电力网络。该技术已根据称为 PoE 的电气和电子工程师协会 (IEEE) 标准正式化。该技术的主要优势在于其简单性以及只要有数据插座的地方都可以使用电源这一事实。(请参阅“以太网供电简介”。)

　　以太网规范的最新修订版 IEEE 802.3cg 描述了通过单对传输数据的 SPE 替代方案，而不是标准以太网或 PoE 的多股 CAT 3 或 CAT 5 电缆。SPE 适用于工业自动化应用，因为它允许工厂和楼宇自动化市场的设计人员使用熟悉的基于以太网的协议在工业控制器和传感器之间进行长距离通信，同时显着减少接线量(图 2)。

　　图 2：单对以太网正在成为一种节省空间且价格低廉的以太网形式，适用于一系列工业和商业应用。(图片来源：安费诺)

　　原则上，以太网代表了一种将监管前端与制造运营联系起来的理想方式，有效地弥合了信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 网络之间的差距。

　　制造设施在实施以太网时会带来额外的工程挑战。首先，工厂对于精密的电缆、连接器和开关来说是一个危险的环境。环境炎热、多尘且充满化学物质，与工厂实施的典型 100 米 (m) plus 电缆运行不兼容。此外，湿度和振动会对导体和触点造成严重破坏。此外，工厂里到处都是大型电机，它们不断地打开和关闭，从而导致电压瞬变和电磁干扰 (EMI)，从而破坏以太网通信。

　　其次，制造工厂里到处都是快速移动的机器人和需要实时控制的同步机器。标准以太网的非确定性通信机制无法提供这种控制能力。

　　工业以太网硬件

　　“工业以太网”是适用于工厂使用的以太网系统的通用术语。此类系统的特点是坚固的物理层 (PHY) 和工业协议，例如 ModbusTCP、PROFINET 和以太网/IP。此外，与标准以太网实施不同，工业以太网通常使用线型或环形拓扑，因为它们有助于缩短电缆长度(限制 EMI 的影响)、降低延迟并建立一定程度的冗余。

　　电缆经过加固处理，包括屏蔽层以防止 EMI，连接器同样受到工业环境严酷环境的保护。

　　制造商根据 IP 分类系统对其产品的耐用性进行分类。IP 等级表示产品提供的防护等级，由国际标准 EN 60529 定义。该方案由两位数组成。第一个代表对固体物体的保护水平，从遇到导电体可能会造成危险的工具或手指，到可能损坏电路的空气中的污垢和灰尘。第二个数字定义了对水滴、喷雾或浸没的保护。范围从 IP00(无防尘或防水保护)到 IP69(完全防尘和强大的高温水射流保护)。

　　工业以太网连接器通常封装在一系列防护等级高达 IP67 的外壳中。在这种情况下，等级为 6 意味着即使在与污染物直接接触 8 小时后，有害灰尘或污垢也不会渗入设备。防水等级为 7 意味着该设备可以浸入 1 米深的淡水中 30 分钟而不会损坏。

　　在为工业以太网选择 PHY、电缆和连接器时，设计人员应通过扫描以下 IEC 和 EN 标准的数据表来检查抗 EMI：

　　IEC 61000-4-5 浪涌

　　IEC 61000-4-4 电快速瞬变 (EFT)

　　IEC 61000-4-2 ESD

　　IEC 61000-4-6 传导抗扰度

　　EN 55032 辐射发射

　　EN 55032 传导发射

　　遵守部分或全部这些标准可确保工厂环境中的工业以太网系统 EMI 性能令人满意。

　　加固连接器

　　无论它们是内置在机器控制面板、以太网交换机还是电缆中，连接器对于工业以太网系统的性能都至关重要。如果不仔细选择，高速生产压力下的单个连接器故障可能会导致价值数百万美元的机器出现故障或停机。

　　有多家供应商为一系列以太网、PoE 和 SPE 应用提供经过验证且可靠的工业以太网连接器。例如，Amphenol 的工业 IP6X 矩形推挽式连接器和电缆解决方案使用 IEC 61076-3-124 配合接口提供 CAT 6A 以太网连接，并完全符合 IP65、IP66 和 IP67 规范。值得注意的是，这些连接器旨在用于需要额外环境保护的工业以太网应用，并适用于任何室内或室外恶劣/恶劣环境。

　　该系列包括面板安装NDHN200 IP67 矩形连接器外壳，如图 3 所示。NDHN3A2 10 位、多用途、免焊插头连接器(图 4)旨在与 NDHN200 配合使用。插头连接器包括闩锁和屏蔽成型。它的额定电压为 50 伏交流电或 60 伏直流电，1.5 安培 (A)，最多可插配/不插配 250 次。

　　图 3：NDHN200 是用于工业以太网应用的 IP67 级矩形连接器外壳。(图片来源：安费诺)

　　图 4：NDHN3A2 是一种 IP67 插头连接器，包括闩锁和屏蔽成型。(图片来源：安费诺)

　　Amphenol 还发布了 SPE 连接器，用于以高达每秒 1 吉比特 (Gbit/s) 的速度运行的传感器、执行器和摄像头等外围设备的以太网连接。与标准以太网相比，SPE 外形尺寸减小了尺寸、重量和成本。这些连接器的防护等级为 IP67，圆形尺寸为 M12。它们与可现场端接的插头配合，提供具有闭锁功能的完全屏蔽接口。它们的 60 V DC 和高达 4 A 的电压/电流处理能力支持长达 1 公里 (km) 的 PoE。一个例子是MSPEJ6P2B02，一种 2P2C SPE 连接器(图 5)

　　图 5：MSPEJ6P2B02 IP67 SPE 连接器采用流行的 M12 尺寸圆形外形。(图片来源：安费诺)

　　该公司还提供类似系列的 SPE 连接器，其矩形插头形式的防护等级为 IP20 而不是 IP67。该解决方案提供与 M12 系列相同的电气性能，但价格更低。一个例子是MSPE-P2L0-2A0模块化 SPE 连接器(图 6)。

　　图 6：MSPE-P2L0-2A0 模块化 SPE IP20 连接器是一种经济高效的选择，适用于危险性较低的环境。(图片来源：安费诺)

　　工业以太网协议

　　标准以太网的通信机制对于办公室或小型企业的相对平稳的流量来说是令人满意的。但这种机制容易受到中断和丢包的影响，导致延迟增加，不适合快速移动和同步生产线的近实时需求。如前所述，这样的环境需要确定性协议来确保机器指令每次都准时到达，无论网络上的负载有多高。

　　为了克服这一挑战，工业以太网硬件由类似的“工业”软件补充。有几种经过验证的工业以太网协议可用，包括以太网/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。每个都旨在确保工业自动化应用的确定性。

　　以太网和工业以太网软件之间的区别可以通过考虑 ISO/OSI 七层抽象模型(“堆栈”)来最好地描述，该模型包括 PHY、数据链路、网络、传输、会话、表示和应用层。标准以太网包括 PHY、数据链路、网络和传输层(使用 TCP/IP 或 UDP/IP 作为传输)，可以被视为一种带来效率、速度和多功能性的通信机制。

　　相比之下，工业以太网协议(例如 PROFINET)使用工业以太网堆栈的应用层。PROFINET 是一种通信协议，旨在在自动化设置中的机器和控制器之间交换信息，使用标准以太网作为其通信机制(图 7)。

　　图 7：代表工业以太网软件堆栈的 ISO/OSI 七层抽象模型。PROFINET 等工业以太网协议位于应用层。(图片来源：Profinet)

　　工业以太网软件还可以利用专门为向云端发送数据而设计的其他协议。示例包括 MQTT 或 SNMP 等协议。

　　结论

　　为了解决工厂恶劣的环境和实时要求，工业以太网使用坚固耐用的硬件(例如交换机、电缆和连接器)以及工业软件来可靠地连接工厂的 IT 和 OT 网络。

　　如图所示，经过验证的商业连接器解决方案使工程师可以轻松地利用工业以太网来编程和控制高速工业自动化，同时收集增强和扩展制造运营所需的深度数据。