工業乙太網路如何支援工廠環境中的工業物聯網

工廠若使用一般乙太網路裝置會怎麼樣呢？這些裝置在工廠環境中很快就會失效。工廠在介於 -40°C 到 +75°C 的極端溫度下運作，會受到持續振動，並且暴露在刺激性化學物質中。工業網路一旦故障，生產就會停擺，造成經濟損失。

本文闡述工業乙太網路與傳統辦公室網路之間的差異，並且解釋如何使用特殊組件，讓機器相互進行可靠通訊。本文涵蓋三個主要零件：耐用型網路交換器、工業級纜線，以及受保護的插線板，這些插線板建立的網路能夠耐受惡劣的工廠環境。

工業環境的效能限制

工業物聯網 (IIoT) 作業的環境會讓標準 IT 設備很快失效。製造廠區產生的灰塵會堵塞冷卻系統，而食品加工過程中的潮濕水氣則會導致短路和腐蝕。極端溫度、持續振動以及馬達帶來的電磁干擾等，都會損害一般網路組件，造成故障和代價高昂的停機。

辦公室網路可接受偶爾的延遲，但工業網路必須具有確定性，確保事件在可預測的時間發生。標準乙太網路是一種機率性 (盡力服務) 的協定，無法保證傳達時間。工業應用需要相容性和確定性，尤其針對動作控制等作業，因為僅毫秒的延遲設備就可能會受損。

維持相容性和確定性

工業協定使用 PROFINET 架構網路，在開放系統互連 (OSI) 模型的第 7 層運作，如圖 1 所示。PROFINET 可分為 PROFINET RT 和 PROFINET IRT (等時即時)。RT 繞過正常的 TCP/IP 處理以減少延遲，而 IRT 會修改乙太網路流量交換規則以優先進行時間關鍵型資料交換。

圖 1：OSI 模型展示工業協定在各個網路層的功能。(圖片來源：Eaton)

PROFINET 在實體層 (1-2) 的標準乙太網路上運作，因此工業網路可以連接一般乙太網路設備，同時為機器控制、協定靈活性、網路擴充提供精準的計時。

IIoT 自動化系統組件與營運挑戰

工業乙太網路交換器、纜線、插線板是工廠自動化中工業物聯網 (IIoT) 的重要組成部分。這三者面臨一系列共同和獨特的挑戰。

共同挑戰：全部的組件都必須防止工廠機械的電磁干擾。為此，交換器和插線板需要屏蔽外罩，而纜線則須採用屏蔽式雙絞線 (STP) 或箔片雙絞線 (F/UTP) 結構。交換器採用堅固的外殼，可抗衝擊，纜線則能抵抗振動和機械應力；插線板採用重型材料，例如 14 號冷軋鋼。

獨特挑戰：

工業乙太網路交換器

• 必須能夠在極端溫度下 (-40°C 至 +75°C) 可靠運作
• 需要備援直流電源輸入和警報繼電器，用於不穩定的工業電源
• 需要服務品質 (QoS) 協定，優先處理關鍵工業資料流

工業乙太網路纜線

• 會直接暴露在惡劣環境中，因此需要 IP68 等級連接器以達到灰塵和液體防護
• 使用含鎖定螺紋的專用 M12 連接器，避免因振動而斷開連接
• 具有直角插頭，適合安裝於機械周圍的狹窄空間內

工業插線板

• 必須在充滿高密度設計的有限的空間內配置多條纜線線路
• 結合防拉桿，維持長期連接完整性
• 使用 90 度向下彎折的連接埠，以便在擁擠的機架中更容易觸及

Eaton 提供廣泛的工業乙太網路解決方案，包括工業乙太網路交換器、纜線、插線板，可解決工廠環境中的上述挑戰。

工業乙太網路交換器

Eaton 的 NGI 系列交換器連接工業網路上的裝置。提供不同的尺寸：小型的有 5 個連接埠，大型的有 16 個連接埠。小型交換器可處理高達 14 Gbps 的資料。大型交換器的處理速度高達 32 Gbps。所有的 RJ45 連接埠均支援三種速率：10 Mbps、100 Mbps、1000 Mbps。圖 2 展示 NGI-U08A 和 NGI-U05C2POE4 型號的關鍵組件產品圖。

圖 2：Eaton 的 NGI 系列工業乙太網路交換器的關鍵元件。(圖片來源：device.report)

NGI-U05POE4 網路交換器具有堅固的金屬外罩，可耐受振動和衝擊，工作溫度為 -10°C 至 +60°C。其主要特點是具備四個 PoE+ 連接埠，每個連接埠可提供高達 30 W 的功率 (總預算為 120 W)。如此可解決一大難題，在不易取得交流電源插座的地點，為攝影機和感測器等裝置供電。

NGI-U08A 網路交換器可提供增強功能，其具備更寬廣的工作溫度範圍 (-40°C 至 +75°C)，以及可承受振動的堅固外殼。在電源不穩定的狀態中，此型號的電源備援功能非常實用。具有乙太網路／IP QoSe (EIP QoS)，有助於優先處理工業資料流，達到更佳表現。

工業乙太網路纜線

Eaton 的工業乙太網路纜線採用屏蔽結構 (STP 或 F/UTP)，以保護訊號免受馬達和重型機械產生的干擾。這些纜線具有 IP68 連接器和 CMX 戶外級護套，可抵禦灰塵、濕氣、腐蝕性元素。

為了避免持續振動導致連接失效，此纜線採用耐用的圓形 M12 連接器，並含 12 mm 鎖定螺紋，確保達到穩固連接。許多纜線都支援乙太網路供電 (PoE)，因此可為感測器和攝影機等裝置，在沒有電源插座之下，透過單一線路傳輸電力和資料。

N206-PC23-IND (圖 3) 的防護等級為 IP68，代表其連接器可防塵，並且能浸入 1.5 m 深的水中長達 60 分鐘。採用 CMX 級護套，因此適合戶外應用。專為在 -20°C 至 +80°C 的極端溫度下運作所打造。

圖 3：Eaton 的工業 Cat5e/Cat6 STP 乙太網路纜線，附 RJ45 連接器 (型號 N206-PC23-IND)。(圖片來源：Eaton)

此纜線的屏蔽結構有助於防止重型機械 (如電動馬達和熔接設備) 等來源的 EMI/RFI 線路雜訊。支援 PoE 為相容裝置供電，例如保全攝影機和 VoIP 電話。

NM12-6A4-01M-BL (圖 4) 和 NM12-602-02M-BL 工業纜線附 M12 連接器，其防塵和防水等級達 IP68。此型號支援高功率 60 W PoE，並將公端 M12 X-Code 連接器連接到公端 RJ45 連接器。

圖 4：Eaton 的 NM12-6A4-01M-BL 是 10G Cat6a 屏蔽式工業纜線，配備直角 M12 連接器並支援 60 W PoE。(圖片來源：Eaton)

NM12-6A4-01M-BL 比 NM12-602-02M-BL 更具優勢，提供更高的 10 Gbps 網路速度和整體箔片屏蔽 (F/UTP)，以防止高速應用中的干擾。此外，還具有特殊的直角 M12 連接器 (圖 4)，可減輕纜線所受應變，並允許在緊密空間內更容易進行連接。但是，如果只需要直式 M12 連接器和較長的纜線長度 (6.6 ft) 及較低的網路速度 (1 Gbps)，那麼使用 NM12-602-02M-BL 就足夠了。

工業插線板

工業插線板具有完全屏蔽的 RJ45 連接埠，可為製造環境中常見的電磁干擾提供必要的防護。這種屏蔽設計可防止 EMI 和 RFI 破壞資料，以減少資料封包遺失和重傳要求。標準 1U 型號和節省空間的 0.5U 型號可提高空間使用效率，在有限的機架空間中達到更高的連接埠密度。

如圖 5 所示，N254-024-SH-D 型號的 RJ45 連接埠以 90 度角 (C) 向下，有利於在狹窄的工業空間內達到更佳纜線管理，並減少纜線和連接器的應變。其專用接地線 (D) 可確保屏蔽層正確電氣接地，在充滿電氣雜訊的工業環境中達到最高 EMI/RFI 保護。

圖 5：Eaton 的工業插線板 (型號 N254-024-SH-D) 突顯關鍵的工業特性。(圖片來源：Eaton)

工業網路可靠性最佳化的整合策略

整合工業乙太網路組件時，其規格須能符合環境挑戰。食品加工設施需要比多塵倉庫更高的防潮保護，而包含熔接設備的區域則需要增強的電磁干擾 (EMI) 屏蔽。

選擇具有可擴充的組件 (如具有額外容量的機箱、更高頻寬的纜線和附備用連接埠的交換器) 為成長進行規劃。在整個基礎設施中保持一致的效能規格以確保互通性。如果交換器支援 10 Gbps，請使用具有相同頻寬的纜線。

針對重視設計時間的應用，也請考慮延遲和抖動。使用壁掛式外殼，能解決地面空間有限的實體限制，並延長纜線長度以達到最佳裝置配置。

結論

工業級網路能在標準設備會失效的環境中可靠運作。不僅減少停機時間，還可降低維護成本，也能提供一致的資料用於分析。製造商若將標準乙太網路與工業協定相結合，可產生巨大的效益。這種組合提供通用連接性和精準的計時控制。數位孿生和預測性維護需要這種計時控制。

隨著工廠採用物聯網，耐用的基礎設施效益可見。公司若投資適當的工業乙太網路，可以立即獲得營運效益。這項投資也為企業迎接工業 4.0 的進展做好準備，這些進展會需要製造工廠全面具備可靠網路。