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工业以太网铜缆布线

时间: 2019-05-16
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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。


工业以太网铜缆布线


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。


工业以太网铜缆布线


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。


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2023 - 03 - 15
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4.不同颜色都代表什么含义?光纤的颜色通常表示其类型。TIA和ISO标准采用相关规则,您很容易分辨正在使用的电缆类型,从而大大降低将两个不兼容的光纤连接在一起的可能性。以下是光纤护套颜色的含义,需要注意以下几点:某些情况下,可能会不遵循上述规则,包括专用光纤、室外光纤光纤束(颜色用于标识不同纤芯)和军事设施。如有疑惑或进行故障诊断和排除时,请仔细检查光纤护套,查看其上印刷的光纤类型说明。适配器也具不同的颜色,并且在测试中起着至关重要的作用。5.为什么有些损耗结果是正值,而有些损耗结果是负值?最常见的原因是前面提到的参考值设置错误。让我们举个例子来说明。假设您想称一下宠物们的重量。您先称一下自己的体重——即“参考体重”。然后,您抱起每只宠物,并记录总重量。假设您获得了以下结果:这显然有问题——仓鼠的体重不可能是负数。如果您重复对Harry的测量并不断得出负数的结果,那么显然参考是错误的——其...
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数据中心正在从传统的分布式基础架构转变成面向服务的以云、AI为特征的统一型架构。它要求数据中心的布线系统能提供更大的带宽 , 更好的传输质量 , 更高的可靠性。其中,铜缆布线需要解决重负载机架带来的抗干扰性问题(全参数测试),且其新要求须满足最高支持40GBase-T应用(八类线);光纤需要支持OM3/OM4/OM5/OS2等光纤类型及10G/40G/100G/200G/400G甚至800G的网络技术使用, 这导致数据中心综合布线系统的质量等级被要求达到一个全新的高度。从业者们越来越需要遵循国际/国家标准来测试认证布线系统的全参数质量及其抗干扰能力(铜缆系统);或通过采用光纤二级测试认证及端面认证来达到高速、稳定、可靠地传输数据的要求(光纤系统)。案例一Cat 6A铜缆布线系统为何不能支持万兆的应用?某数据中心采用Cat 6A铜缆布线系统支持万兆的应用,但实际使用中发现系统在万兆上不能稳定...
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如何解读测试报告?您应查看测试报告中的两项基本内容,专家还应查看另外三项基本内容 — 任何人其实都可以查看这些关键因素。请参考图2,查找报告的相应部分。1.查看测试是否通过,如右上角的绿色“√”或红色“X”所示。2.其次,测试中采用了哪些限值?想象一下,您八岁大的孩子数学考试没及格,您会感到沮丧,但是如果您看到该测验涵盖了高级多元微积分的相关知识,那么沮丧感可能会少很多。如上所述,您可以根据TIA/ISO标准或(IEEE的)应用标准进行测试。确保使用的限值正确。现在,让我们来看看专家关注的事项。3.查看实际的损耗测量值。对于CertiFiber™Pro OLTS,其报告中的损耗结果通常成对出现(双光纤测试)。任何波长的“损耗”若出现负数,都表示通过光纤传输后信号增强了 — 这在物理原理上当然是不可能的,它往往意味着测试仪的设置不正确。请注意,CertiFiber Pro OLTS会自动将负...
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1.链路可以允许有多大损耗?如何计算损耗预算?向光纤一端施加信号,信号从另一端输出时会变弱。输入和输出信号之间的差值就是光纤链路造成的信号能量的损耗,称为插入损耗。损耗以分贝即dB表示,信号强度每降低一半则对应为3 dB。如果输出信号是输入信号的一半(1/2),则损耗为3 dB;如果输出信号是输入信号的1/4,则损耗为3dB+3dB = 6 dB,以此类推。TIA和ISO根据光纤的长度、连接器和熔接点的数量来定义链路允许的最大损耗限值或“损耗预算”。连接器和光纤类型的不同,则存在多种版本的参数,在本示例中,我们将选用OM5多模光纤,该光纤在TIA和ISO标准中具有相同的限值(表1)。要计算链路的损耗预算,可如下计算:损耗预算 = 光纤长度(千米) x 3.0dB + 连接器数量 x 0.75dB + 熔接点数量 x 0.3dB表1. 基于TIA和ISO标准的OM5多模光纤和标准连接器的损耗...
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