使用基于工业以太网的电源和数据网络设计坚固耐用的物联网应用

将生产设施连接互联网，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、控制，可以持续分析来自机器和过程的数据，以检查过程中是否出现错误或漂移，并且可以在闭合反馈回路中进行轻微的远程调整以便对生产进行微调。从长远来看，这些数据可用于规划未来的规模并更快速地整合新型制造技术。

虽然连接的理由很充分，但需要认真考虑如何实现这种连接。目前有许多选择，但以太网就是一种适用于工厂网络的、成熟现成的解决方案。在全球范围内，以太网凭借良好的供应商支持和与云的无缝互操作，成为应用最广泛的有线网络选项。更吸引人的是，电缆可以用来同时传输电源（以太网供电 (PoE)）和数据，这意味着一套线路既可支持网络，又可给所连接的传感器、致动器和其他设备（如摄像机）供电。

不过，标准以太网难以胜任工业级工作。其硬件设计的目标环境不是炎热、肮脏和易受振动的工厂环境。另外，标准以太网协议是非确定性的，而工厂环境下的生产需要以近乎实时控制的方式来管理高速过程，因此无法满足工厂环境要求。

工业以太网不仅具有标准以太网的所有优势，还具有耐用且具有确定性的软件。这是一项经过实际验证的、成熟的工业自动化技术，不仅允许将过程数据发送到云端，而且允许远程监管人员轻松访问生产车间的驱动器、PLC 和 I/O 设备。在对以太网标准的一项修正——IEEE 802.3cg 标准中，仅使用一对导线进行数据传输，从而减少了工厂布线的规模和成本。

本文在概述以太网和工业以太网的差异之前，先讨论工业应用面临的连接挑战。然后，介绍 PoE 和单对以太网 (SPE) 技术的使用及其如何在工业以太网网络中实施，最后介绍 Amphenol 的硬件。

工业以太网的挑战

虽然 Wi-Fi 可能是消费者连接互联网的最常见方式，但商业场所通常使用通过以太网连接的有线局域网 (LAN) 技术实现计算机和其他设备的互连。

在以太网初级阶段，网络上的计算机通过单根总线进行通信。这种类型的网络是最直接的配置，价格便宜，易于安装。然而，这种网络的效率相对较低，因为所连接的计算机会争夺带宽，因而导致拥堵、数据包丢失以及带宽明显减少。

今天的办公网络通常使用星形、树形或网状拓扑结构。在这些拓扑结构中，由交换机控制对网络的访问，以限制拥堵，维持吞吐量。以太网流量由交换机控制，以使直接信息只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：以太网交换机控制网络访问，以限制拥堵并维持吞吐量。（图片来源： Amphenol）

基于不断更新的标准 (IEEE 802.3），以太网已是成熟、安全、可靠的网络，并具有高达数百兆字节 (GB) 的吞吐速度。虽然不是该标准的一部分，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，实现与互联网的无缝连接。以太网还使网络能够使用数百家供应商提供的电缆、连接器和交换机完成轻松扩展。

目前，以太网已经发展到通过单根以太网 CAT 3 或 CAT 5 电缆同时传输电源和进行通信。因此，相比安装独立系统，工程师门能以更快的速度，更少的成本构建低维护以太网和电源网络。这项技术已根据电气电子工程师协会 (IEEE) 标准正式化，称为 POE 技术。简单化是该技术的主要优势，而且事实上只要有数据插座就能用来供电。（参见“以太网供电简介”。）。

最近的以太网规范修正——IEEE 802.3cg 标准中描述了 SPE 替代方案，即通过单线对传输数据，而不是通过标准以太网或 PoE 的多股 CAT 3 或 CAT 5 电缆。SPE 适合工业自动化应用，因为该方案允许工厂和建筑自动化市场的设计者使用熟悉的、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，同时大大减少布线量（图 2）。

图 2：单线对以太网正在作为一种节省空间的廉价以太网形式脱颖而出，这种以太网适用于一系列工业和商业应用。（图片来源： Amphenol）

原则上，以太网代表了一种理想方式，将前台监管与生产运营联系起来，有效地缩小了信息技术 (IT) 网络和运营技术 (OT) 网络之间的差距。

实施以太网时，制造设施会带来更多的工程挑战。首先，对脆弱的电缆、连接器和交换机来说，工厂环境是危险的。环境炎热、多尘并充满了与工厂中长度超过 100 米的典型电缆不相容的化学物质。而且，湿度和振动会对导体和触头造成破坏。此外，工厂里有很多大电机不断地启动、停机会造成电压瞬变和电磁干扰 (EMI)，从而危及以太网通信。

第二，制造厂遍布快速移动的机器人和需要进行实时控制的同步机器。标准以太网的非决定性通信机制无法提供这种控制功能。

工业以太网硬件

“工业以太网”是适用于工厂以太网系统的通用术语。此类系统的特点是具有坚固耐用的物理层 (PHY) 和工业协议，如 ModbusTCP、PROFINET 和 Ethernet/IP。此外，与标准以太网的实施不同，工业以太网通常使用直线形或环形拓扑结构，因为这些拓扑有助于缩短电缆敷设长度（抑制 EMI 影响），减小延迟并建立一定程度的冗余。

电缆均经过包括屏蔽在内的加固，以防电磁干扰；连接器也采用了类似保护，以防恶劣工业环境的影响。

制造商按照 IP 分类体系对其产品的耐受性进行了分类。IP 等级表示产品具有的防护等级，这种分级按照国际标准 EN 60529 标准定义。该方案包含两位数字。第一位数字表示针对固体物的防护等级，从触碰到电导线就会有危险的工具或手指，到可能损坏电路的空气中的污垢和灰尘。第二位数字定义了针对水滴、喷洒或浸泡的保护。防护范围为 IP00 级（无防尘或无防水保护）到 IP69 级（完全防尘和强大的高温水柱保护）。

工业以太网连接器通常采用最高可达 IP67 级防护的一系列保护性外壳。在这种情况下，6 级意味着即使与污染物直接接触 8 小时，也不会出现有害灰尘或污垢渗入装置。7 级防水意味着该设备可以在最深一米的淡水中浸泡 30 分钟而不被受损。

在为工业以太网选择 PHY、电缆和连接器时，设计者应通过搜索数据表并按照下列 IEC 和 EN 标准来检查其 EMI 抗扰能力。

• IEC 61000-4-5 浪涌
• IEC 61000-4-4 电气快速瞬变 (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

遵循部分或全部这些标准，可以保证工业以太网系统在工厂环境中具有令人满意的 EMI 性能。

坚固耐用的连接器

无论是内置到机器控制面板、以太网交换机还是布线，连接器对工业以太网系统的性能至关重要。如果选型不仔细，在高速生产的压力下，某个连接器故障就可能导致价值百万美元的机器出现故障或停机。

目前，有多家供应商为一系列以太网、PoE 和 SPE 应用提供成熟可靠的工业以太网连接器。例如，Amphenol 的 Industrial IP6X 矩形推拉式连接器和网线解决方案使用 IEC 61076-3-124 接口提供 Cat6A 以太网连接，完全符合 IP65、IP66 和 IP67 规范。值得注意的是，这款连接器旨在用于需要额外环境保护的工业以太网应用，适用于室内外的任何严酷、恶劣的环境。

该系列包括图 3 所示的面板安装 NDHN200 IP67 矩形连接器外壳。NDHN3A2 10 针位、多用途、无焊接插头连接器（图 4）旨在与 NDHN200 配对。插头连接器包括一个弹簧锁和模塑屏蔽壳。该连接器的额定值为 50 VAC 或 60 VDC、1.5 A，插拔次数多达 250 次。

图 3：NDHN200 是一款 IP67 级的矩形连接器外壳，用于工业以太网应用。（图片来源： Amphenol）

图 4：NDHN3A2 是一款 IP67 插头连接器，包括一个闩锁和模塑屏蔽壳。（图片来源： Amphenol）

Amphenol 还推出 SPE 连接器外围设备的以太网连接，如工作速度可达 1 Gb/s 的传感器、执行器和视觉系统摄像机等。与标准以太网相比，SPE 采用了能减小体积、重量和成本的外形。该连接器的防护等级为 IP67，外形为 M12 圆形。这种连接器可与现场端接式插头配接，提供了全屏蔽接口并具有锁止功能。这种连接器的电流/电压能力为 60 VDC，电流高达 4 A，PoE 支持距离可达 1 km。例如 MSPEJ6P2B02 连接器就是一种 2P2C SPE 连接器（图 5）。

图 5：MSPEJ6P2B02 IP67 SPE 连接器的外形为常见的 M12 圆形。（图片来源： Amphenol）

该公司还提供类似的 SPE 连接器系列，该系列采用矩形插头格式，其防护等级为 IP20 而不是 IP67。该解决方案不仅具有与 M12 系列相同的电气性能，而且具有价格优势。例如 MSPE-P2L0-2A0 模块化 SPE 连接器（图 6）。

图 6：对于危险程度不太高的环境，MSPE-P2L0-2A0 模块式 SPE IP20 连接器是一种经济实惠的选择。（图片来源： Amphenol）

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静的流量来说是令人满意的。但这种机制很容易受中断和丢失数据包的影响，导致延迟增大，使其不适合快速移动和同步生产线近乎实时的需求。如前所述，此类环境需要确定性协议，以确保机器指令每次都能准时送达，无论网络上的负载有多高。

为了满足这一挑战性要求，工业以太网硬件由类似的“工业”软件来补充。目前有几个成熟的工业以太网协议，包括 Ethernet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET。每个协议都是旨在确保工业自动化应用的确定性。

考虑到 ISO/OSI 七层抽象模型（“堆栈”），其中包括 PHY、数据链路、网络、传输、会话、展示和应用层，能够非常充分地描述以太网和工业以太网软件之间的差异。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 作为传输协议），可以认为是一种效率高、速度快的多功能通信机制。

相反，诸如 PROFINET 等工业以太网协议使用工业以太网堆栈的应用层。PROFINET 是一种使用标准以太网作为通信机制的通信协议，用于在自动化环境下的机器和控制器之间的信息交换（图 7）。

图 7：代表工业以太网软件栈的 ISO/OSI 七层抽象模型。诸如 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使用专为向云端发送数据而设计的其他协议。这方面的例子包括 MQTT 或 SNMP 等协议。

结语

为了考虑工厂的恶劣环境和实时要求，工业以太网采用诸如交换机、电缆和连接器等坚固耐用的硬件以及工业软件，以可靠地连接工厂的 IT 和 OT 网络。

如图所示，成熟的商业连接器解决方案能让工程师门简单地通过工业以太网对高速工业自动化进行编程、控制，同时收集能够增强、扩大生产运营所需的深度数据。