【導讀】從1973年以太網誕生開始，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，如今以太網已經成為了應用最廣泛的LAN協議和國際計算機行業標準。隨著工業從3.0步入4.0時代，以太網也逐漸從人們的日常生活向工業領域邁進。
“把設備連接成一個可以相互通信的網絡”，這個想法其實早在工業3.0時代就已出現。上個世紀70年代開始，人們便著手研發各種不同種類的工業現場總線，但由于缺乏統一、開放的通信標準，不同現場總線之間通信困難的問題難以解決。為了突破這一技術瓶頸，工業以太網應運而生。
圖1：主流工業以太網
（圖源：智能制造之家）
雖說工業以太網就是將普通以太網應用到工業控制系統，但從專業角度看，工業以太網是建立在IEEE802.3系列標準和TCP/IP上的分布式實時控制通信網絡，適用于數據傳輸量大，傳輸速度要求較高、實時性高的場合。目前主流工業以太網包括PROFINET、POWERLINK、ETHERNET/IP、ETHERCAT、SERCOSIII等。
圖2：云基礎設施
（圖源：ADI）
與普通以太網相比，工業以太網的優勢十分明顯：
一是應用廣泛。基于TCP/IP的以太網是一種標準的開放式網絡，可解決控制系統中不同廠商設備的兼容和互操作的問題，如VB、Java、VC等編程語言都可以支持其應用開發。采用以太網作為現場總線，就可以選擇多種開發工具、開發環境。
二是通信速率高。相比傳統的現場總線最高速率只有12M，高速以太網的通信速率可以高達100M或1,000M，目前10G的以太網技術也逐漸成熟，可以滿足對帶寬的更高要求。
三是成本低廉。由于以太網應用廣泛，因此具有豐富的軟硬件資源，而其網卡的價格只有現場總線的十幾分之一，并隨著技術發展還會進一步下降。
四是可持續發展潛力大。工業控制網絡采用以太網，就可以避免其發展游離于計算機網絡技術的發展主流之外，從而使工業控制網絡與信息網絡技術共同發展，保證了以太網技術的持續發展。
憑借這些優勢，工業以太網深受廣大用戶歡迎。HMS Networks研究顯示，工業網絡市場預計在2022年將增長8%，其中工業以太網顯示出最高的增長，現占據新安裝節點的66%。
然而，正如世界上沒有一個十全十美的人，工業以太網也并不是完美無缺的。上述提到，工業以太網的本質是將普通以太網應用到工業控制系統，但普通以太網在設計之初，是以辦公自動化為目標設計的，并沒有考慮到工業控制的應用需求，因此想要讓以太網適配工業領域，仍有許多問題亟待解決。
一方面，普通以太網所用的接插件、集線器、交換機和電纜等均是為商用領域設計的，未針對較惡劣的工業現場環境，所以當這些商用網絡設備部署于工業現場時，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境，就會產生開放性、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，工業現場中工廠或機械的工藝應用要求決定了工業以太網需要具備實時性，尤其在一些高精度的控制系統中，但普通以太網是“盡力而為”的傳輸，顯然不具有實時性。
總而言之，工業環境的確定性決定了工業以太網必須可靠穩定，而以往的商用網絡設備顯然無法滿足這個要求，亟需新的、優秀的工業網絡器件。本文將以業界多家廠商的產品為例來說明不同元件對工業以太網可靠性與穩定性的貢獻。
以太網連接器
以太網連接器指的是用于以太網領域的數據連接器。在工業自動化設備中，控制系統、傳感器、網絡通信等均需要用到以太網連接器。
與傳統連接器相比，工業以太網連接器體積更小，傳輸速率更高，為以太網絡中傳感器微型化節省空間的同時，還可以提供經濟高效的鏈接。更重要的是，為了避免受到惡劣工業環境的影響，工業以太網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境中，依然可以保持穩定運轉。
當前，為滿足工業設備不斷升級的技術要求，工業以太網連接器的防護等級、傳輸速度、易操作性等性能也在日漸提高，并隨之出現了單對工業以太網（SPE）連接器、屏蔽雙排PCB連接器等。
其中，SPE連接器是一個更新的應用于工業以太網的連接方案。最初，SPE技術的開發只是為了滿足汽車行業對于更小、更輕電纜和連接器的需求，然而隨著技術的發展，人們開始發現它在工業應用中的潛力，可以很好地解決工業無線網絡中出現的特殊問題。比如：在大型工業物聯網中，以太網電纜束體積和重量不斷增大，使得在工業運輸應用中不得不對卡車、客運、貨運列車以及飛機等運輸工具予以補償，不僅增加成本，還減緩設置時間。
而SPE技術只通過一對雙絞線提供高速數據傳輸以及電源，傳輸速度可以達到1Gbps，傳輸距離也可以達到1km，可大幅度降低現場布線的成本，提高靈活性。還保留了工業以太網協議的開放性、可靠性和對于多種應用的靈活性，真正實現了一個低姿態、經濟高效、易于安裝的系統，并增強了數據分析和更快的錯誤響應，為工業互聯網的發展開辟了全新的可能性和應用領域。
以Phoenix Contact SPE連接器為例，作為經典串行總線系統的替代方案，這款連接器憑借單單對線進行數據傳輸，同時集成PoE供電功能。通過以太網為工廠和流程自動化提供并行的高性能數據和電力傳輸。該系列具有范圍遠達1,000M的靈活性和高達1Gbps的傳輸特性，應用范圍包括樓宇和工廠自動化、機器人技術、鐵路行業和照明等。
圖3：Phoenix Contact SPE連接器
（圖源：貿澤電子）
據悉，Phoenix Contact作為單對以太網系統聯盟的創始成員之一，在開發具有IP20至IP6x防護等級的標準化SPE連接器上取得了決定性進展。上述Phoenix Contact SPE連接器將取代傳統的串行總線系統，實現從傳感器到“云端”一網到底的數據連接方案。
而屏蔽雙排PCB連接器則具有EMC屏蔽功能。EMC（電磁兼容性，Electro Magnetic Compatibility）指的是設備或系統在其電磁環境中符合要求運行，并不對其環境中任何設備產生無法忍受的電磁干擾能力。眾所周知，各種運行的電子設備之間的干擾主要以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式彼此關聯并相互影響，在一定的條件下，就會對運行的設備和人員造成干擾、影響和危害。
Phoenix Contact DMCC雙排屏蔽型PCB連接器就具有EMC屏蔽功能，可為器件提供可靠的數據和電源，包括通過單條以太網電纜（以太網供電）。該系列連接器腳距為2.54mm，電流高達6A，電壓高達160V，與CAT5兼容，適合用于以太網供電（PoE），通過一條電纜可以借助PoE節省空間，同時為系統提供數據和電源。
圖4：Phoenix Contact DMCC雙排屏蔽型PCB連接器
（圖源：貿澤電子）
除此之外，該系列連接器還具備鍍金觸點，能夠實現高傳輸質量和長期穩定性，并且元件尺寸小，能夠適用于空間至關重要的應用。
電阻器
工業以太網在為設備之間的互聯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備保持其設計功能，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，就會發出“關掉設備”信號。
由于其特性，電流檢測用低電阻器往往使用數歐姆以下的較小電阻值，比如國巨PE系列低TCR電流檢測電阻器這類符合AEC-Q200標準的低電阻溫度系數電阻器。據介紹，該系列電阻器具有高可靠性和0.5%、1%或5%的容差，非常適合用于汽車、消費品、工業/電源和新能源等各種應用。
圖5：國巨PE系列低TCR電流檢測電阻器
（圖源：貿澤電子）
不過需要注意的是，一般在使用這類電流檢測電阻器測量電流時，有兩種放置方式，分別為高側感測，即將電阻放在電源與負載之間；以及低側感測，即把電阻放在負載和接地端之間。這兩種測量方法各有利弊，需要視情況而做決定。采用高側電阻的電路需要承受相對較大的共模信號；而在處理非常高的電壓，或在電源電壓可能易于出現尖峰或浪涌的應用中，應優先選擇低側應感測。
圖6：電流檢測電阻器放置方式
（圖源：CSDN）
電纜
當然，可靠穩定的工業以太網也離不開更堅固的電纜。和所有網絡一樣，當干擾存在時，電纜的平衡性和穩定性對工業以太網起著至關重要的作用。
雖然在數據傳輸能力方面，工業以太網電纜與商業級沒有區別，但由于工業環境存在著EMI，以及溫度、粉塵、濕度等其他在家庭和辦公環境中不常見的影響因素，因此根據使用環境的不同，工業以太網電纜可能具有不同的額定溫度和護套材料。
比如，輕型工業電纜的護套質量可能比普通以太網電纜更高。又或者，與用于商業級電纜的聚氯乙烯（PVC）相比，氟化乙烯聚丙烯（FEP）、熱塑性彈性體（TPE）和聚氨酯（PUR）護套材料具有更大的溫度范圍、更好的柔韌性以及耐腐蝕性和耐磨性。
一般來說，5類電纜和5e類電纜比較適合用于辦公室、商業等環境，而根據ANSI/TIA-1005標準所述，6類電纜或者更好的電纜可以用于工業環境中的主機或者設備連接，因為與5類電纜和5e類電纜相比，6類電纜不易受串擾和外部EMI噪聲影響。
工業以太網交換機
作為以太網連接設備發展的下一代產品，工業以太網交換機的功能更多更復雜，除了具備堅固耐用的設計，可運作于嚴苛的工業環境中，還具備網絡管理及監控功能。當然，隨之而來的要求也更多，比如工業以太網交換機需要防水、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，工業以太網交換機的優勢十分明顯，可以構建不同的拓撲結構、靈活的組網方式、環網的自愈能力、以及系統冗余能力。
拓撲是指網絡中電纜的布置，但在工業以太網中，普遍使用交換機或集線器來實現，拓撲結構一般為星型、環型、樹型和線型。不同的拓撲結構也帶來了靈活的組網方式。通常，工業以太網交換機可以支持多種基礎組網結構，如星型、鏈型單環、雙環、耦合環、相切環、相交環以及多種結構混合組網。
圖7：拓撲結構
（圖源：方正智芯）
其中，環網自愈能力就是環型拓撲結構的一大優點。使用環形拓撲結構，交換機可以組成環形網絡，每臺交換機能自動判斷最優傳輸路徑和備用路徑，當優先路徑中斷時自動啟用備用路徑，從而實現快速自愈。
更重要的是，利用工業以太網交換機，可以通過組建冗余網絡，提高網絡連接可靠性。而工業以太網交換機構建冗余網絡的方式也是多種多樣，主要分為STP、RSTP、以及環網冗余RapidRing，每種方式都可以縮短網絡中斷的恢復時間，從而達到工業環境對工業控制網絡可靠性能的超高要求。
寫在最后
從目前的發展趨勢來看，未來一段時間內工業控制網絡領域仍然將是工業以太網和現場總線并存發展，但在工業以太網快速發展趨勢下，全面替代現場總線的進程是無可避免的。毫無疑問，工業以太網的可靠穩定性必將成為未來研發的重點方向，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”。
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