了解：工业以太网铜缆布线

由 Xerox Palo Alto Research Center (PARC) 在 20 世纪 70 年代先开发的以太网已发展成为全世界常见的网络系统。在过去的几十年中，行业标准经历巨大变化和扩展，这使以太网能够满足原始开发人员从未想象过的各种应用。

其中一项应用即为工业以太网。供应商和标准组织采用以太网的基础物理层创建各种技术，例如 PROFINET、Ethernet/IP（工业协议）、EtherCAT 和 Modbus-TCP，而后针对工业自动化对这些技术进行优化。

布线标准连接器

所有工业以太网应用均采用类似于“常规”以太网用途的双绞线铜缆或光纤布线，并针对工厂环境进行了一定的改动。国际标准组织 (ISO) 和电信工业协会 (TIA) 制定了一套规范，确定工业场所内的潜在环境条件。其被称为机械、侵蚀、气候/化学、电磁规范。MICE 等级描述不同的环境条件级别，MICE 1 为常见办公环境，MICE 2 为轻微恶劣环境，MICE 3 为重工业环境。

若要满足这些要求，供应商开发出了特定的线缆和连接器。这包括可以在被压碎、加热、浸没或暴露于腐蚀性化学品的同时操作的电缆。在大多数情况下，这会影响电缆外护套的要求，无论是 MICE 1 还是 MICE 3，电气特性保持不变。但是，电磁要求中存在的显著差异，其中针对 E1、E2 和 E3 规定了横向转换损耗 (TCL) 的特定要求。该规范测量电缆抵抗外部电信号干扰的能力，例如焊机、变速驱动器和高压电源产生的电信号。

由于连接器可成为侵蚀点，因此需要特别审查。一种方法是将标准 8 针模块化连接器 (RJ-45) 装入密封的螺纹插座中。该连接器的优势为：可与多数“常规”以太网设备和电缆兼容。M12 连接器专为更严格的冲击和振动应用而开发，具有小型圆形锁定螺钉型连接器，可包括两对 (M12-D) 或四对 (M12-X)。常见的工业布线配置包括在电缆一端的模块化 8 针连接器，另一端连接到 M12 连接器。

一半以上的工业以太网问题根源在于布线。部分问题在启动过程中立即出现，有些问题在连接时并未显现，直至环境变化引起通信故障。以太网是一种强大的技术，即使在边缘环境下也可以继续通信 ，但这些情况的变化可能会导致通信问题或全面故障。以下为常见的布线问题。

连通性 – 布线的基本要求是，一端的引脚连接到另一端的正确引脚。布线中的任何布线错误或开口都会导致通信故障。当引脚与另一端的适当引脚连接，但是电缆配对不正确时，有可能会出现一种不太好理解的问题，即“分离对”。这可能导致间歇性或硬性故障。

长度 – 一般情况下，以太网线缆长度限制为 100 米。如线缆过长，则在两种情况下可能导致问题出现。首先，信号在通过电缆传播时会变弱 – 如果信号太长，则其可能太弱而无法在远端正确接收。其次，以太网设计时，旨在特定时间范围内响应，由太长的电缆引起的延迟会干扰该定时。这两种错误都有可能导致硬性故障或间歇性问题。例如，由于线缆损耗随温度增加，如线缆过长，可能在较低温度下可接受地传输，但在较高温度下会失效。

串扰 – 其为测量线缆内配对间的电磁干扰。例如，在“发送”对上发送的信号可以对“接收对”产生干扰信号。发射器可以将此干扰解释为“正在输入信号”和停止发送。这同样可能导致硬性故障或间歇性故障。随着信号频率的增加，串扰也会增加，这使其成为网络电缆优性能的主要决定因素。

屏蔽完整性 – 许多工业以太网电缆都包含屏蔽层，其通常是金属箔，将每对电缆包裹在外部电缆护套内。该屏蔽层旨在减少外部电磁干扰 (EMI) 的影响，其也可来自电缆附近的高压或高电流设备。EMI 可能导致电缆传输错误，导致速度减慢甚至全面故障。这样的故障问题非常难以排除，原因是其仅在干扰大到足以克服信号平衡时才可发生，如使用附近的电机启动或焊接工具。为使屏蔽层更高效，线缆应与其路径共同屏蔽，单个屏蔽层的连通性都可能极大降低其性能。因此，屏蔽层的测试必须能确保屏蔽整个路径。由于屏蔽层通常接地，因此其为特别难的测量。简单的直流测量将无法判定屏蔽层是否连通，或其是否两端接地。

横向变换损耗 (TCL) – 其为线缆“平衡”的测量，该功能旨在配对的两个接线处传输相同信号。双绞线电缆通过配对内两根导线上相等但相反的信号之间的差分，实现高水平的抗噪性。如果布线导致信号不均等，外部噪声可能会对信号造成干扰，并使信号失真到接收设备无法识别的程度。如上述备注，EMI 的问题很难分离和解决。若要解决该问题，为了解决这个问题，标准组织已经为 MICE E1、E2 和 E3 环境开发了 TCL 要求。

务必注意：根据上述要求，使用由制造商认证的电缆和连接器，这对于无差错操作非常重要，但无法保证。有时，即使好的供应商也可以生产不合规格的产品，更常见的是，不正确的安装技术也可能使优质组件变的糟糕。

电缆测试意味着更长的正常运行时间

组织配备适当的电缆测试工具，并了解其基本用途，通过三种方式使用，以增加正常运行时间：

Faster Startup – 连接线缆前，测量上述备注参数，这是确保满足必要规格以适当工作的唯一方式。

预防异常停机 – 由于线缆在启动时通过数据，因此无法保证在所有情况下都能继续工作。安装后的环境变化可能导致故障。根据上述备注参数，如果线缆测试通过，则稍后基于这些要素的线缆故障机会可能减少。

更快地解决问题 – 即使是经过测试的电缆也可能因滥用而发生故障，例如意外切割、拉开或熔化。如出现网络故障，快速诊断布线问题可节省大量时间。其不需要花费数小时替换可疑线缆，只需几秒即可测试其是否完好，从而可针对其他故障排除工作。如线缆循坏，测试仪的诊断可以查明问题。例如，如果了解了故障是否在远端连接器，这意味着您可花费几分钟替换损坏的连接器，不需要几个小时重新进行整体布线。

总之，安装时的测试线缆可加速启动流程，防止未来出现的问题。出现故障时，使用线缆测试仪可节省数小时的故障排除和停机时间。

工业互联网的线缆测试工具

线缆测试工具可分为两类：部署前测试仪和故障排除设备。

部署前（认证）测试人员 – 这些工具可为上述备注的所有线缆参数提供测试，包括串扰、屏蔽集成和 TCL。DSX CableAnalyzer 系列是唯一可测量所有参数的线缆测试仪（包括屏蔽集成及布线路径）。测试仪可判定结果“合格”或“不合格”，可创建记录报告。我们只能通过“启动前的认证工具测试”方式了解线缆是否满足上述特定规格，这也是防止布线问题的上佳方式。这些工具还可用于故障排除，不仅可定位损坏线缆，还可定位更困难问题，如线缆进水，或连接器不满足规格要求。

故障排除工具 – 这些工具可验证线缆是否适当连接（包括分离对测试），并且可以测量电缆的长度，并识别电缆断裂的位置。通过消除布线问题，让团队专注于问题的真正所在，即使线缆不存在问题，也可以节省大量时间。

无法投资认证测试仪的团队仍然可以从新项目中获益，方式为租赁或招募线缆测试承包商，以在启动前测试线缆。其可通过低成本故障排除工具，处置任何设施，消除必要时间，以在发生故障时安排装置租赁或合约商。解决单个网络故障时，可节省时间，从而节约成本。