使用工業乙太網路架構電源和資料網路，設計耐用的物聯網應用

將製造設施連接到網際網路可以提高效率、品質和生產獲益。例如，可以從遠端對機器進行編程和控制，以便持續分析來自機器和流程的資料，檢查使否有流程錯誤或漂移，並且可以採用封閉的回授迴路從遠端調整。長期來看，這些資料可用於規劃未來的擴展並且更快速整合新的製造技術。

雖然這能達到穩固的連接，但達到連接的方式則需要深度考量。有許多選項，但乙太網路可針對工廠網路提供一種可用且經驗證的解決方案。這是全球使用最廣泛的有線網路選項，具備良好的供應商支援，以及順暢的雲端互通性。除此之外，纜線可用於承載電力 (乙太網路供電 (PoE)) 和資料，這代表只要一組佈線既可支援網路，又可為連接的感測器、致動器和其他裝置 (如攝影機) 供電。

不過，標準乙太網路並不能勝任工業工作。該硬體並非設計用於在炎熱、骯髒和易振動的工廠環境中可靠運作。此外，標準乙太網路協定為非確定性，因此不適合工廠環境的需求，因為工廠環境的生產需要幾乎即時的控制來管理高速流程。

工業乙太網路具備標準乙太網路的所有優點，還增加了耐用性和確定性軟體。這是經驗證且成熟的工業自動化技術，不僅可以將流程資料傳送到雲端，還可以讓遠端監管人員輕鬆存取製造廠房的驅動器、PLC 和 I/O 裝置。乙太網路標準 IEEE 802.3cg 的修訂版僅使用單對電線進行資料傳輸，進一步減​​少工廠佈線的體積和成本。

本文首先討論工業應用面臨的連接挑戰，接著概述乙太網路和工業乙太網路之間的區別。然後，將會說明 PoE 和單對乙太網路 (SPE) 技術的運用，以及介紹 Amphenol 的實際硬體，以及如何在工業乙太網路中實作。

乙太網路在工業環境的挑戰

Wi-Fi 也許是消費者連接到網際網路最常用的方式，但商業場所通常使用乙太網路有線區域網路 (LAN) 技術連接電腦和其他設備。

在乙太網路的初期，網路上的電腦使用單一匯流排進行通訊。這種類型的網路是最簡單的配置，不僅便宜而且易於設置。但是，它的效率相對較低，因為連接的電腦會爭奪頻寬，從而導致擁塞、封包遺失和頻寬顯著減少。

現今的辦公室網路通常使用星形、樹形或網狀拓撲，可切換控制對網路的存取，以便限制擁塞，維持傳輸量。乙太網路流量由交換器控制，因此直接訊息僅在需要通訊的裝置之間傳輸，而不會在整個網路上廣播 (圖 1)。

圖 1：乙太網路交換器控制對網路的存取，可限制擁塞並保持傳輸量。(圖片來源：Amphenol)

基於持續更新的標準 (IEEE 802.3)，乙太網路經過驗證且安全、可靠，並提供高達數百 Gbytes 的傳輸速度。雖然不是標準的一部分，乙太網路通常使用 TCP/IP (網際網路協定 (IP) 套件的一部分) 進行路由和傳輸，達到與網際網路的無縫連接。這還可讓網路透過數百家供應商提供的纜線、連接器和交換器輕鬆擴展。

乙太網路已經發展到透過單一乙太網路 CAT 3 或 CAT 5 纜線將電源和通訊相結合，相對於採用獨立系統的安裝，工程師能夠快速、低成本構建低維護乙太網路和電力網路。此技術已由電機電子工程師學會 (IEEE) 標準正式化，稱為 PoE。此技術的主要優勢在於其簡單性，只要有資料插座的地方都可以使用電源。(請參閱《乙太網路供電介紹》。)

乙太網路規範的最新修訂版 IEEE 802.3cg 描述採用單對傳輸資料的 SPE 替代方案，而不是標準乙太網路或 PoE 的多股 CAT 3 或 CAT 5 纜線。SPE 適合工業自動化應用，允許工廠和大樓自動化市場的設計人員使用熟悉的乙太網路架構協定，在工業控制器和感測器之間進行長距離通訊，同時大幅減少佈線 (圖 2)。

圖 2：單對乙太網路興起，成為節省空間且價格實惠的乙太網路形式，適合一系列工業和商業應用。(圖片來源：Amphenol)

原則上，乙太網路代表一種將監管前端辦公室與製造作業鏈結的理想方式，有效彌合資訊科技 (IT) 和營運技術 (OT) 網路之間的差距。

製造設施在實作乙太網路時會帶來額外的工程挑戰。首先，工廠對於精密的纜線、連接器和交換器來說是一個危險的環境。環境炎熱、多塵且充滿化學物質，並且與工廠實作的典型 100 m 以上纜線不相容。此外，濕度和振動會對導線和觸點造成嚴重破壞。再加上工廠裡到處都是大型馬達，不斷開啟和關閉，會導致電壓瞬變和電磁干擾 (EMI)，進而破壞乙太網路通訊。

其次，製造設施裡到處都是快速移動的機器人和需要即時控制的同步機器。標準乙太網路的非確定性通訊機制無法提供這種控制能力。

工業乙太網路硬體

「工業乙太網路」是工廠使用的乙太網路系統的通用術語。此類系統的特點是耐用的實體層 (PHY) 和工業協定，例如 ModbusTCP、PROFINET 和乙太網路／IP。此外，與標準乙太網路實作不同，工業乙太網路通常使用線型或環形拓撲，有助於縮短纜線長度 (限制 EMI 的影響)、降低延遲並建立一定程度的餘裕。

纜線經過加固處理，並包括屏蔽層以防護 EMI，連接器同樣受到防護，可耐受工業嚴酷環境。

製造商根據 IP 分類系統對其產品耐用性進行分類。IP 等級指出產品提供的防護等級，並由國際標準 EN 60529 所定義。該結構由兩個數字組成。第一個數字代表對固體物的防護等級，舉凡接觸電導體就可能具危險性的工具或手指，到可能損壞電路的空氣灰塵及粉塵。第二個數字定義對水滴、噴霧或浸入的防護性。最低為 IP00 (不防塵或不防水)，最高為 IP69 (完全防塵、完全耐抗強力高溫噴水)。

工業乙太網路連接器通常封裝在一系列防護等級高達 IP67 的外罩中。在這種情況下，等級為 6 代表即使裝置與污染物直接接觸 8 小時，有害的灰塵或污垢也不會滲入。防水等級為 7 代表該裝置可以浸入 1 m 深的淡水中 30 分鐘而不會損壞。

為工業乙太網路選擇 PHY、纜線和連接器時，設計人員應針對以下 IEC 和 EN 標準快速瀏覽規格書，檢查 EMI 耐受效能：

• IEC 61000-4-5 突波
• IEC 61000-4-4 電快速瞬變 (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 傳導耐受性
• EN 55032 輻射放射
• EN 55032 傳導放射

遵守部分或全部這些標準，可確保工廠環境中的工業乙太網路系統 EMI 效能令人滿意。

加固連接器

無論連接器內建在機器控制面板、乙太網路交換器或纜線中，對於工業乙太網路系統的效能都非常重要。若不謹慎選擇，高速生產壓力下的單一連接器故障可能會導致價值數百萬美元的機器故障或停機。

有多家供應商為一系列乙太網路、PoE 和 SPE 應用提供經過驗證且可靠的工業乙太網路連接器。例如，Amphenol 的 工業 IP6X 矩形推拉式連接器和纜線解決方案，使用 IEC 61076-3-124 配接介面提供 CAT 6A 乙太網路連接，並完全密封達到 IP65、IP66 和 IP67 等級。值得注意的是，這些連接器旨在用於需要額外環境保護的工業乙太網路應用，適用於任何室內和戶外惡劣／嚴峻的環境。

該系列包括面板安裝 NDHN200 IP67 矩形連接器外罩，如圖 3 所示。NDHN3A2 10 腳位、多用途、免焊插頭連接器 (圖 4) 旨在與 NDHN200 搭配使用。插頭連接器包括閂鎖和屏蔽成型。其額定電壓為 50 VAC 或 60 VDC、1.5 A，最多可配接／斷開 250 次。

圖 3：NDHN200 是適合工業乙太網路應用的 IP67 等級矩形連接器外罩。(圖片來源：Amphenol)

圖 4：NDHN3A2 是 IP67 插頭連接器，包括閂鎖和屏蔽成型。(圖片來源：Amphenol)

Amphenol 還推出 SPE 連接器，可為運作速度高達 1 Gb/s 的感測器、致動器、攝影機等周邊裝置，提供乙太網路連線。與標準乙太網路相比，SPE 在外形尺寸、重量、成本上均有縮減。這些連接器的防護等級為 IP67，具有 M12 尺寸圓形外型，與可現場端接的插頭配接，提供具有閂鎖功能的完全屏蔽介面。其 60 VDC 和高達 4 A 的電壓／電流處理能力支援長達 1 km 的 PoE。MSPEJ6P2B02 2P2C SPE 連接器即為一例 (圖 5)

圖 5：MSPEJ6P2B02 IP67 SPE 連接器採用常用的 M12 尺寸圓形外型。(圖片來源：Amphenol)

該公司還提供一系列類似的 SPE 連接器，其矩形插頭形式的防護等級為 IP20 而不是 IP67。此解決方案提供與 M12 系列相同的電氣效能，但價格更低。MSPE-P2L0-2A0 模組化 SPE 連接器即為一例 (圖 6)。

圖 6：MSPE-P2L0-2A0 模組化 SPE IP20 連接器是經濟實惠的選擇，適用於危險性較低的環境。(圖片來源：Amphenol)

工業乙太網路協定

標準乙太網路的通訊機制對於辦公室或小型企業而言，其相對平穩的流量令人滿意。但這種機制容易受到中斷和遺失封包的影響，導致延遲增加，不適合快速移動和同步生產線的接近即時需求。如前所述，這樣的環境需要確定性協定，確保無論網路上的負載有多高，機器指令每次都準時到達。

為了克服這項挑戰，工業乙太網路硬體由類似的「工業」軟體輔助。有幾種經過驗證的工業乙太網路協定可用，包括乙太網路／IP、ModbusTCP、PROFINET。全都用於確保工業自動化應用的確定性。

乙太網路和工業乙太網路軟體之間的區別可以透過 ISO/OSI 七層抽象模型 (堆疊) 來描述，該模型包括 實體層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會議層、表現層和應用層。標準乙太網路包括實體層、資料鏈路層、網路層和傳輸層 (使用 TCP/IP 或 UDP/IP 作為傳輸)，可視為一種提供效率、速度和多功能性的通訊機制。

相比之下，工業乙太網路協定 (如 PROFINET) 使用工業乙太網路堆疊的應用層。PROFINET 是一種通訊協定，旨在為自動化設置中的機器和控制器之間交換資訊，使用標準乙太網路作為其通訊機制 (圖 7)。

圖 7：代表工業乙太網路軟體堆疊的 ISO/OSI 七層抽象模型。PROFINET 等工業乙太網路協定位於應用層。(圖片來源：Profinet)

工業乙太網路軟體還可以運用專門向雲端發送資料所設計的其他協定。範例包含 MQTT 或 SNMP 等協定。

結論

為因應工廠的嚴苛環境和即時需求，工業乙太網路使用耐用的硬體 (交換器、纜線、連接器等) 與工業軟體搭配，將工廠的 IT 和 OT 網路可靠連接。

如上所述，經過驗證的商業連接器解決方案可讓工程師輕鬆運用工業乙太網路進行編程並控制高速工業自動化，同時為加強和擴展製造作業收集所需的深度資料。