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警惕:50%以上的工业以太网问题都可以追溯到布线上!

来源:控制工程网2021.09.24阅读 522

  由于信息技术(IT)与运营技术(OT)融合可以带来潜在的收益,因此得到人们的持续关注。物联网(IoT)和IT技术与以数据为中心的网络相关联;工业物联网(IIoT)和OT技术与工业网络相关联控制工程网版权所有,例如用于监视和控制工业设备的监控和数据采集(SCADA)系统。
  过去控制工程网版权所有,IT和OT网络属于不同部门,各自拥有独立的体系结构、协议、标准、电缆和连接性。在OT领域,很多技术是专有的并且受供应商的控制。随着工业以太网应用(例如Modbus TCP/IP、EtherCAT、EtherNet/IP和Profinet)的激增以及基于网络的智能IIoT传感器的出现(这些传感器可以收集和传输重要的制造信息,以便在世界任何地方进行实时分析),IT和OT世界正在融合为一体。
  IT/OT数据流带来的好处
  虽然OT网络仍要执行诸如监控机器和I/O层面的现场设备等功能,如继电器、电子流量计、远程遥测装置(RTU)和可编程逻辑控制器(PLC),但以太网和智能传感器的实施将这些系统从专有环境转移到开放标准和协议的环境。这使数据可以更自由地传输,从现场传感器到工厂主干网控制工程网版权所有,再到IT网络,最后到互联网服务提供商(ISP)的网络和云。这种数据交换是IT/OT融合的基础,它可以实现:
  1.在任何位置实时查看工业信息;
  2.多个站点和设施的互连;
  3.可扩展以覆盖更多环境;
  4.通过无线通信在工厂车间实现移动性;
  5.通过4G/5G蜂窝技术从远程站点收集数据;
  6.通过更多设备和后端系统进行数据分析;
  7.标准化和快速部署,以加快上市时间。
  这些功能为增强计划和决策制定、提高效率、减少停机时间、降低维护需求和提高生产率铺平了道路,从而降低了成本并实现利润最大化。为了充分利用IT/OT融合带来的优势CONTROL ENGINEERING China版权所有,制造企业中的IT和OT部门需要通力合作,以确保两个网络的设计和部署,可以实现有意义和安全的数据访问。一个关键因素是要了解,由于数据现在采用可以穿越IT和OT网络以及互联网的通用格式,而构成这些网络的布线和连接,以及它们驻留的环境和测试注意事项并非相同。

图1:MICE环境分类有助于工业电缆和网络组件的设计。图片来源:Fluke Networks

图2: Fluke Networks的DSX Cable Analyzer M12通道适配器,允许测试和认证已安装的通道链接,以确保在工业网络应用苛刻的MICE环境中实现可靠的以太网传输。

  工业电缆和连接器
  包含OT网络的工厂布线,要经受更苛刻条件的影响。在工厂车间或过程设施内,用于连接工业现场设备的电缆和连接器必须足够强大,以承受各种因素的影响,包括振动、极端温度、液体、灰尘、化学物质和干扰。ANSI/TIA-1005和ISO/IEC11801行业标准,使用机械、入侵、气候/化学、电磁(MICE)规范,根据振动、力和冲击(机械)等因素对组件进行分类;防止灰尘和液体进入(入侵);温度、辐射和污染物(气候/化学物质)和噪声干扰(电磁)。这些参数确定了各种程度的环境条件以及相关的MICE级别,其中MICE 1定义了典型的办公环境,MICE 2定义了更恶劣的环境,MICE 3定义了重工业环境。
  与MICE 1的IT网络中使用的以太网连接器相比,包含OT网络的MICE 2和MICE 3环境需要不同的以太网连接器。与用于办公室中连接计算机和设备的普通商业级RJ45连接器不同,工业级RJ45连接器通常包括耐化学腐蚀的热塑性外壳和IP67防护等级的密封。OT网络还使用M12自锁式连接器用于工业设备上的I/O连接,因为它们更耐用,而且由于被锁紧,可以更好地处理持续的振动。
  工业以太网电缆的优点
  工业以太网电缆在数据传输能力方面与商业级以太网电缆没有区别,但是由于现场开关继电器、交流变频器和其它噪声源的电磁干扰,在OT网络中更多的使用带屏蔽的铜缆。
  根据使用环境的不同,工业以太网电缆可能具有不同的额定温度和护套材料。与用于商业级电缆的聚氯乙烯(PVC)相比,氟化乙烯聚丙烯(FEP)、热塑性弹性体(TPE)和聚氨酯(PUR)护套材料具有更大的温度范围、更好的柔韧性以及耐腐蚀性和耐磨性。电缆经常弯曲和扭曲的应用场合(例如机器人和其它重复运动应用)可能需要高柔韧性的电缆,其中每根导线的绞合数更高。

图3:DSX Cable Analyzer系列适配器可以根据行业标准测试不同的端到端电缆配置。

  工业布线问题和测试的重要性
  长期以来,测试一直是IT网络的最佳实践,以确保电缆设备安装正确、支持应用并符合行业标准。网络测试通常是供应商保修的要求。测试的重要性也适用于今天的OT网络,特别是考虑到一半以上的工业以太网问题都可以追溯到布线上。
  工业布线方面遇到的一些常见的问题包括:
  ● 接线错误或连接终止不良,通过开路、短路、反转线对、交叉线对或分线对阻止连续性;
  ● 电缆超过特定应用的长度要求,这可能导致信号微弱和时间延迟;
  ● 由电磁干扰引起的电缆内线对之间的串扰,可能会妨碍正常的信号传输;
  ● 当电缆屏蔽层的连续性出现断裂时引起的屏蔽层完整性问题,可能导致串扰增加;
  ● 信号不平衡可能导致电磁干扰(EMI)扭曲信号,以至于接收设备无法识别。
  在测试时,IT和OT经理必须在理解上达成共识。这包括对技术人员进行适当的培训和装备,配备能够连接RJ45和M12连接器的质量测试人员,并测试连续性、长度、串扰和屏蔽完整性。由于平衡参数用于测试电磁干扰,选择一个能够在各种环境水平下测试平衡的测试仪也是一个考虑因素。对融合的IT/OT网络进行适当的电缆测试有助于防止计划外的停机www.cechina.cn,确保更多的正常运行时间,并更快地解决问题。(作者:Mark Mullins)

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