工业以太网如何在工厂环境中为工业物联网提供支持

工厂使用普通以太网设备会发生什么情况？在工厂环境中，这种网络很快就会发生故障。在工厂内，具有 -40°C 至 +75°C 的极端运行温度，存在持续振动和刺激性化学物质。当工业网络出现故障时，会导致生产停止，造成严重经济损失。

本文将阐述工业以太网与传统办公网络的区别。详细解释特殊组件如何让机器之间实现可靠的通信。本文这将主要讨论三个部分：坚固耐用的网络交换机、工业级电缆和防护型配线架，由这三部分构成的网络能够承受恶劣的工厂条件。

工业环境中的性能局限性

工业物联网 (IIoT) 的运行环境会让标准 IT 设备迅速瘫痪。生产车间产生的灰尘会堵塞冷却系统，食品加工过程中的湿气会导致电气短路和腐蚀。极端温度、持续振动和电机的电磁干扰都会损害常规网络组件，导致故障和代价高昂的停机。

与办公网络可容忍的偶发延迟不同，工业网络必须具备确定性，确保所有事件在可预测的时间范围内完成。标准以太网采用概率性协议（即尽力而为协议），无法提供有保障的传输时限。工业应用要求兼容性和确定性，尤其是运动控制等操作，因为即使毫秒级延迟也可能损坏设备。

保持兼容性和确定性

如图 1 所示，工业协议通过基于 PROFINET 的网络在开放系统互连 (OSI) 模型的第 7 层运行。PROFINET 可分为 PROFINET RT（实时通信）和 PROFINET IRT（等时同步实时通信）两种类型。RT 绕过 TCP/IP 的标准路由处理流程以降低延迟，而 PROFINET IRT 则通过修改以太网流量交换规则，以优先处理时效关键型数据交换。

图 1：OSI 模型说明了工业协议如何在各网络层发挥作用。(图片来源：Eaton）

由于 PROFINET 在物理层 (1-2) 的标准以太网上运行，因此工业网络可以连接普通以太网设备，同时提供精确的机器控制定时、协议灵活性和网络可扩展性。

IIoT 自动化系统组件和运行挑战

工业以太网交换机、电缆和配线架是工厂自动化中工业物联网 (IIoT) 的基本组件。每种组件带来的挑战既有共性，又有独立性，具体如下。

共性挑战：所有组件都必须能够防止来自工厂机械的电磁干扰。为此，交换机和配线架需要采用屏蔽外壳，电缆需要采用屏蔽双绞线 (STP) 或箔双绞线 (F/UTP) 结构。交换机的外壳应坚固耐用，抗冲击；电缆可抵抗振动和机械应力；配线架采用重型材料，如 14 号冷轧钢板。

独有挑战：

工业以太网交换机

• 必须在极端温度下可靠运行（-40°C 至 +75°C）
• 需要冗余直流电源输入和报警继电器，以应对不稳定的工业电源
• 需要执行服务质量 (QoS) 协议来优先处理重要的工业数据流

工业以太网电缆

• 直接暴露于环境中，需要 IP68 级连接器来防尘、防液
• 使用带有锁紧螺纹的 M12 专用连接器，以防止因振动而断开连接
• 采用直角插头，以便安装在机器周围的狭小空间内

工业配线架

• 需在有限空间内，通过高密度设计来整合大量线缆敷设路径
• 采用应力消除杆，可保持连接的长期完整性
• 使用 90 度向下倾斜端口，更便于在拥挤的机架中使用

Eaton 提供了多种工业以太网解决方案，包括工业以太网交换机、电缆和配线架，可应对上述工厂环境中的挑战。

工业以太网交换机

Eaton 的 NGI 系列交换机可连接工业网络上的设备。该系列提供不同的尺寸选择，包括 5 端口小型交换机和 16 端口大型交换机。其中，小型交换机可处理速率高达 14 Gbps 的数据，而大型交换机的数据能处理能则高达 32 Gbps。所有 RJ45 端口都能在 10 Mbps、100 Mbps 或 1000 Mbps 三种速度工作。图 2 展示了 NGI-U08A 和 NGI-U05C2POE4 型号的关键组件。

图 2：Eaton NGI 系列工业以太网交换机的关键组件。(图片来源：device.report）

NGI-U05POE4 网络交换机采用坚固耐用，可承受振动和冲击的金属外壳，其工作温度范围为 -10°C 至 +60°C。这款交换机的主要特点是有配备四个 PoE+ 端口，且每个端口可提供高达 30 W 的功率（总功率预算为 120 W）。这款交换机解决了在没有交流电源插座的情况下为摄像头和传感器等设备供电的难题。

NGI-U08A 网络交换机的工作温度范围更大（-40°C 至 +75°C），外壳坚固耐用，可耐受振动，是用于增强功能的不错选择。该型号的电源冗余功能在电源不稳定时特别有用。该型号具有以太网/IP QoSe (EIP QoS) 功能，有助于优先处理工业数据流，从而提升性能。

工业以太网电缆

Eaton 工业以太网电缆采用屏蔽结构（STP 或 F/UTP），可保护信号免受电机和重型机械产生的干扰。凭借 IP68 级连接器和 CMX 户外等级护套等特性，这些电缆可抵御灰尘、湿气和腐蚀性物质。

为防止连接因持续振动造成连接失效，电缆采用了坚固耐用的 12 mm 锁定螺纹圆形 M12 连接器，确保可靠连接。许多电缆都支持以太网供电 (PoE)，实现了在没有电源插座的情况下仅通过一条线路就能为传感器和摄像头等设备传输电源和数据。

N206-PC23-IND（图 3）的防护等级为 IP68，表明其连接器防尘，且可在 1.5 米深的水中浸泡长达 60 分钟。采用 CMX 级护套，使其适用于户外。这款电缆可在 -20°C 至 +80°C 的极端温度下运行。

图 3：Eaton 带 RJ45 连接器的工业 Cat5e/Cat6 STP 以太网电缆（型号 N206-PC23-IND）。(图片来源：Eaton）

该电缆的屏蔽结构有助于防止来自包括电机和焊接设备在内的重型机械的 EMI/RFI 线路噪声。该电缆支持 PoE，可为兼容型设备供电，如监控摄像头和 VoIP 电话。

NM12-6A4-01M-BL（图 4）和 NM12-602-02M-BL 工业电缆采用 M12 接头，防尘防水等级为 IP68。这两个型号的电缆均支持高功率 60 W PoE，可将 M12 X-Code 公连接器与 RJ45 公连接器连接。

图 4：Eaton 的 NM12-6A4-01M-BL 10G Cat6a 屏蔽工业电缆，采用直角 M12 连接器，支持 60 W PoE。(图片来源：Eaton）

与 NM12-602-02M-BL 相比，NM12-6A4-01M-BL 具有更高的 10 Gbps 网络速度和整体箔屏蔽 (F/UTP) 结构，可防止高速应用中的干扰。如图 4 所示，这款电缆还配有一个特殊的直角 M12 连接器，可减小电缆应力，使其在狭小空间内更容易连接。不过，如果只需要直 M12 连接器，且电缆长度较长（6.6 英尺），网络速度较低（1 Gbps），那么 NM12-602-02M-BL 电缆就能完全胜任。

工业配线架

工业配线架提供全屏蔽式 RJ45 端口，可针对制造环境中常见的电磁干扰提供必要的保护。这种屏蔽设计可防止电磁干扰和射频干扰破坏数据，从而减少数据包丢失和重新传输要求。为了节省空间，可选择标准 1U 型号或者节省空间的 0.5U 型，即可在有限的机架空间内实现较高的端口密度。

如图 5 所示，N254-024-SH-D 型配线架的 RJ45 端口以 90 度角（C）朝下，便于在狭小的工业空间内更好地进行线缆布线，并减少对线缆和连接器的压力。专用接地线 (D) 可确保正确的电气屏蔽接地，在电气噪声较大的工业环境中最大限度地保护 EMI/RFI 免受干扰。

图 5：Eaton 的工业配线架（型号 N254-024-SH-D）突出了主要的工业特性。(图片来源：Eaton）

优化工业网络可靠性的整合策略

在集成工业以太网组件时，应使具体规格与苛刻的环境条件相匹配。与多尘的仓库相比，食品加工设施需要更严格的防潮保护，而有焊接设备的区域则需要更强的电磁干扰 (EMI) 屏蔽能力。

为满足未来增长需求，应做好规划，选择能够扩展的组件，如可以扩容的机柜、具有更高带宽的线缆和具有备用端口的交换机。通过采用性能规格一致的基础设施，以确保设备间的互操作性。如果交换机支持 10 Gbps 的速率，则应采用带宽相同的电缆。

在设计时间敏感型应用时，要同时考虑延迟和抖动。采用壁装式机箱解决空间受限的问题，通过延长电缆以获得最佳的设备位置。

结语

工业级网络可在标准设备出现故障时可靠运行。这种网络可以减少停机时间，降低维护成本。此外，还能提供一致的数据用于分析。制造商将标准以太网与工业协议相结合会带来巨大效益。通过二者的结合，可实现通用连接性和精确的计时控制。数字双胞胎和预测性维护需要这种计时控制。

工厂采用物联网技术后，坚固耐用的基础设施使会其与众不同。对于那些投资了正确工业以太网的企业或公司，可获得立竿见影的运营效益。这项投资也为企业迎接工业 4.0 的进步做好了准备。这些先进技术需要在整个生产设施内建立可靠的网络。