如何在工业应用中实施混合控制网络
作者：Jeff Shepard
诸如石油和天然气炼油厂、化工厂、液化天然气终端和类似设施等工业综合体通常规模庞大，面临提高运营效率、支持灵活生产、降低成本和确保安全运行等许多挑战。生产过程的连续性加剧了这种挑战。为了确保最佳运行，这些设施中的工控网络必须能够连续不断地监测数千个地点的温度、压力、振动、流量和其他参数。网络可以延伸数公里 (km)，同时需要各种不同的铜和光纤数据通信技术来支持一系列设备，从低带宽传感器，到更高带宽的实时控制和安全设备。
为了满足各种不同的要求，网络工程师需要按照最优的混合方式来部署铜缆和各种不同类型的光纤通信设备，所有这些设备都与具有冗余电源、宽工作温度能力、远程监控和高级安全功能的紧凑型工业以太网交换机相连。
本文首先简要介绍工业以太网 (IE)，包括对光纤/铜缆混合数据通信网络的需求以及对光纤的特别关注。本文就单模 (SM) 和多模 (MM) 光纤进行了比较，研究了热插拔光纤模块标准以及光纤模块的数字诊断监测仪 (DDM) 如何工作，然后介绍 Cisco Systems,、Phoenix Contact 和 Intelligent Network Solution 的一系列光纤数据通信设备，以及 Red Lion Controls 提供的托管型工业以太网交换机，这种交换机采用混合型铜和光纤端口以及硬质 IP40 外壳。
IE 基于使用各种以太网协议，以及具有扩展温度范围的交换机、坚固耐用的互连器件，从而能适应各种恶劣的环境。IE 可以支持实时控制和确定性，并通过诸如 EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET 和 Modbus TCP 等一些列通信协议完成具体实施。
IE 网络预计会在传统和现有系统之间提供某种程度的互操作性，仍然具有可预测的性能并且易于维护，可最大限度地延长正常运行时间。在大型设施中，铜缆和光纤互连器件经常组合使用。在适当的时候，铜缆可以作为低成本替代品。然而，使用光纤能够减少与电气噪声有关的问题，提供电气隔离，并支持更长的互连长度，这在大而分散的工业综合体中可能特别有用。
MM 与 SM 光纤
由于纤芯和包层之间的光学指数不匹配导致全内反射，所以光在光纤上传播。纤芯直径非常关键，它定义了接收锥角。该角包含了光线进入光纤后可以继续传播的角度。SM 光纤采用小型 10 μm 纤芯，只能支持一种传播模式，即基本模式。相对于光的工作波长，MM 光纤有较大的纤芯直径。那些较大的纤芯可同时引导许多种模式的光，即驻波模式光（图 1）。ISO/IEC 11801 标准根据两种纤芯尺寸和各种不同的带宽特性定义了五类 MM 光纤：OM1、OM2、OM3、OM4 和 OM5。光纤可以根据纤芯和光缆的直径进行分类。例如，62.5/125 μm 是指 OM1 MM。50/125 μm 光缆用于 OM2、OM3、OM4 和 OM5 MM，而 10/125 μm 则属于 SM 光缆。
图 1：MM 光纤的直径相对较大，可同时传输多种模式的光。（图片来源：Cisco Systems）
MM 光纤可使用发光二极管 (LED) 光源操作，但更高性能的设计会采用垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)。VCSEL 的采用使得 MM 光纤网络能够实现数千兆的数据速率。
五类 MM 光纤均基于光波长度（单位：纳米）、纤芯直径 (μm) 和模态带宽。模态带宽是以 km 为单位的给定距离内的最大信号速率 (MHz) 或给定信号速率下的最大距离的测量值，是带宽与距离的乘积 (MHz·km)。对于一条给定光缆，当距离减半时，最大信号传输率会翻倍。ISO/IEC 11801 定义的 MM 光纤等级是：
OM1：62.5 μm 纤芯，在 850 nm 处的最小模态带宽为 200 MHz·km
OM2：50 μm 纤芯，在 850 nm 处的最小模态带宽为 500 MHz·km
OM3：50 μm 纤芯，在 850 nm 处的最小模态带宽为 2000 MHz·km
OM4：50 μm 纤芯，在 850 nm 处的最小模态带宽为 4700 MHz·km
OM5：50 μm 纤芯，在 850 nm 处的最小模态带宽为 4700 MHz·km，在 953 nm 处为 2470 MHz·km
OM3 标准旨在支持 IEEE 802.3 10GbE 以太网标准。当与 VCSEL 调制配合使用时，OM3 MM 光缆可在长达 300 m 的距离内提供 10 Gb/s 的传输速度。大多数情况下，OM3 MM 光纤链路在 500 米以内的应用中是最经济的解决方案。OM4 MM 链路可以支持高达 1 km 的距离。对于更远的距离和更高的数据速率，则需要使用 SM 光纤。
用于铜缆和光纤的 SFP
小型可插拔 (SFP) 接口是一种紧凑型可热插拔网络模块格式，可用于数据通信和电信网络。网络硬件上的 SFP 接口与以太网交换机类似，是一种模块化插槽，用于诸如铜缆或光缆等特定介质的收发器。SFP 可使端口根据需要配备不同类型的收发器。SFP 取代了之前开发的较大的千兆接口转换器 (GBIC)，因此有时会被称为“mini GBIC”。小型化委员会通过了多源协议，即 MSA SFF-8472（图 2），规定了具体的外形尺寸、机械联锁和电气接口。除了标准 SFP 接口外，还可使用 SFP+ 实现更高的速度（最高可达 10Gb/s），SFP28 的速度可达 25Gb/s。
图 2：光纤 SPF 模块的机械元件，突出显示了闩锁和联锁机构以及光纤和电气连接。（图片来源：Intelligent Network Solutions and Jeff Shepard）
SFP 光纤收发器可支持同步光网络 (SONET)、千兆以太网、光纤信道、无源光网络 (PON) 和其他通信标准。
数字诊断监控
MSA SFF-8472 还定义了光纤收发器的 DDM 功能。DDM 有时被称为数字光学监控 (DOM)。DDM 可让网络管理员实时监控光输入/输出功率、温度、激光器偏置电流和收发器电源电压（图 3）。DDM 是 GBIC 规范中定义的串行 ID 接口的一种扩展。DDM 包括报警和警告标志，如果运行参数超出正常运行的工厂设置，就会发出警报。
图 3：DDM 可监控 SFP 光收发器的性能，并在任何参数超出标称工作范围时发出警报。（图片来源：Intelligent Network Solutions）
DDM 旨在帮助预测故障并支持预防性维护，以实现最长的网络正常运行时间。收发器制造商为各种参数设置了 DDM 阈值。在超过任何阈值的情况下操作收发器都将导致性能下降，并可能产生传输错误。当某个参数的值超过其指定的阈值时，收发器会发出警报。此外，该模块将停止传输数据，接收器同时将拒绝接收任何信息。同时发出多个警报的情况并不少见；例如，如果发射光功率太高，温度也可能很高。
DDM 会在超过预设的阈值时关闭并保护系统，但它也可用来监控收发器的运行参数，让操作员能够看到数值在超过破坏性水平前向错误的方向变化，从而安排预防性维护。
MM 光纤和 1 km 范围
工控网设计者可以使用 Phoenix Contact 的 2891754 千兆 SFP 模块，并使用 850 nm 波长的光纤支持长达 1 km 的传输距离（图 4）。该模块适用于工业应用，其工作温度范围为 -40℃ 至 85℃，湿度高达 95%。传输距离取决于所使用的光纤：
275 m，采用 62.5/125 μm (OM1)
550 m，采用 50/125 μm (OM2)
800 m，采用 50/125 μm (OM3)
1000 m，采用 50/125 μm (OM4)
图 4：该 SFP 光收发器在波长为 850 nm 和 OM4 光缆的情况下，其工作距离为 1 km。（图片来源：Digi-Key）
使用 SM 光纤的距离 20 km
Intelligent Network Solutions 的 INT 506724 SFP 模块支持 1000Base-LX 数据传输，使用 1310 nm 激光器在单模 9/125 μm 光纤上传输，最长传输距离可达 20 km。它支持 DDM，且金属外壳减少了电磁干扰 (EMI)，增加了耐用性（图 5）。该模块的工作温度范围为 0°C 至 70℃，规定的相对湿度 (RH) 为 10 - 85%。
图 5：Intelligent Network Solutions 的 INT 506724 SFP 模块支持 1000Base-LX 数据传输，使用 1310 nm 激光器在单模 9/125 μm 光纤上传输，最长传输距离可达 20 km。（图片来源：Intelligent Network Solutions）
10 km SFP 收发器
Cisco 的 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 采用 SM 光纤工作，当插入 SFP+ 端口时的传输距离可达 10 km。这些收发器与同一链路上的 10GBASE XENPAK、10GBASE X2 和 10GBASE XFP 接口之间存在光学互操作性，并具有监控实时性能的 DOM 功能。使用时，SFP-10G-BXD-I 总是与 SFP-10G-BXU-I 连接。SFP-10G-BXD-I 传输 1330 nm 通道，接收 1270 nm 信号，SFP-10G-BXU-I 以 1270 nm 波长发射，接收 1330 nm 信号（图 6）。
图 6：光收发器采用不同的波长来传输和接收数据。（图片来源：Cisco Systems）
工业以太网托管型交换机
如果需要 12 端口托管型千兆以太网交换机（含 8 个端口、4 个 SFP 组合端口并具有 Modbus 监控功能），网络工程师可采用 Red Lion 的 Sixnet SLX-8MG-1。SLX-8MG-1 有 8 个 10/100/1000Base-T(X) 端口、4 个 SFP 组合端口（支持 100Base 或 1000Base 光纤收发器）。SLX-8MG 采用超薄硬化金属 DIN 导轨外壳，可用于恶劣的工业环境，支持冗余型 10-30 VDC 电源输入且工作温度范围为 -40℃ 至 75℃。该交换机还具有 Modbus/TCP 远程监控功能、高级安全功能，更强的抗冲击和抗振动能力，以及抗高电气噪声和抗浪涌水平能力。
图 7：SLX-8MG-1 托管型千兆以太网交换机具有 8 个 10/100/1000Base-T(X) 端口和 4 个 SFP 组合端口（左上）。（图片来源：Red Lion）
结语
混合光纤和铜缆网络有助于提高运行效率，支持灵活生产，降低成本，并确保石油和天然气炼油厂、化工厂等大规模工业企业安全和可靠地运行。网络工程师可以使用托管型千兆以太网交换机来部署由光纤和铜缆组成的混合通信链路。采用 MM 和 SM 光纤支持最佳的模态带宽，包括 DDM 功能可以进行预防性维护，以确保最长的网络正常运行时间。
