如何在工業應用中實作混合式控制網路

石油和天然氣精煉廠、化工廠、液化天然氣終端站和類似設施等工業複合設施的模龐大，正面臨著提高營運效率、支援靈活生產、降低成本以及確保安全可靠營運的挑戰。生產流程的連續性本質讓挑戰更加嚴峻。為了確保最佳營運，這些設施中的工業控制網路必須持續監測數千個位置的溫度、壓力、振動、流量和其他參數。這些網路可延伸數公里 (km)，需要各種銅纜和光纖數據通訊技術來支援一系列裝置，包括低頻寬感測器到高頻寬的即時控制和安全裝置。

為了符合這些多樣化要求，網路工程師需要部署銅纜和多種光纖通訊裝置，並達到最佳化組合，且全都連接到緊湊的工業乙太網路交換機，其需具有備援電源、寬廣的工作溫度、遠端監控與進階安全功能。

本文首先將簡單概述工業乙太網路 (IE)，包括對混合式光纖／銅纜數據通訊網路的需求，且會特別關注在光纖層面。不只會比較單模 (SM) 和多模 (MM) 光纖，也會探討熱插拔光纖模組標準，以及光纖模組的數位診斷監測 (DDM) 運作原理，然後會介紹 Cisco Systems、Phoennix Contact 和 Intelligent Network Solutions 推出的多種光纖數據通訊裝置，以及 Red Lion Controls 推出的網管型工業乙太網路交換機，搭配硬化 IP40 外殼包覆的多種銅纜和光纖連接埠。

IE 以乙太網路協定為基礎，具有延伸溫度範圍交換機，以及堅固的互連元件，可耐受嚴峻環境。IE 可以支援即時控制和確定性，並使用多種通訊協定進行實作，如 EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET 和 Modbus TCP。

IE 網路有望在傳統系統和當前系統之間提供一定程度的互通性，而且一就可以產生可預測的效能，並可輕鬆維護，以達到最長的運作時間。銅纜和光纖互連的組合通常用於大型設施。在適當的時候，銅纜是低成本的替代方案。然而，使用光纖可以減少電氣雜訊相關的問題、提供電氣隔離，並可支援更長的互連長度，這在大型和分散的工業園區中特別有用。

多模與單模光纖的差異

光會沿著光纖傳遞，因為線芯和包層之間的光學指數不匹配會導致全內反射。線芯的直徑相當關鍵，會決定受光錐角，包括光進入光纖且可繼續傳播的角度。單模光纖採用 10 μm 線芯，只能支援一種傳播模式，稱為基波模式。多模光纖相對於光的工作波長，則具有較大的線芯直徑。較大的線芯同時可引導多種模式，因此也稱為光的駐波模式 (圖 1)。ISO/IEC 11801 標準依據兩種線芯尺寸和各種頻寬特性，定義了五個多模光纖的類別：OM1、OM2、OM3、OM4 和 OM5。光纖纜線可依據線芯和纜線的直徑進行分類。例如，62.5/125 μm 表示 OM1 多模。50/125 μm 纜線可用於 OM2、OM3、OM4 和 OM5 多模；10/125 μm 則是單模纜線的例子之一。

圖 1：多模光纖的直徑相對較大，可以同時支援多種光模式的傳輸。(圖片來源： Cisco Systems)

多模光纖可以使用發光二極體 (LED) 光源運作，但更高效能的設計需使用垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL)。使用 VCSEL 能讓多模光纖網路提供數 Gigabit 的數據傳輸率。

五類多模光纖是依據光波長 (以 nm 為單位)，線芯直徑 (以 μm 為單位) 和模態頻寬分類。模態頻寬是在指定距離 (以 km 為單位) 下的最大訊號傳輸率 (以 MHz 為單位)，或在指定訊號傳輸率下的最大距離，也是頻寬和距離 MHz·km 的乘積。在指定纜線下，當距離減半時，最大訊號傳輸率會加倍。ISO/IEC 11801 標準所定義的多模光纖類別包括：

• OM1：62.5 μm 線芯，在 850 nm 時最小模態頻寬為 200 MHz·km
• OM2：50 μm 線芯，在 850 nm 時最小模態頻寬為 500 MHz·km
• OM3：50 μm 線芯，在 850 nm 時最小模態頻寬為 2000 MHz·km
• OM4：50 μm 線芯，在 850 nm 時最小模態頻寬為 4700 MHz·km
• OM5：50 μm 線芯，在 850 nm 時的最小模態頻寬為 4700 MHz·km，在 953 nm 時則為 2470 MHz·km

OM3 標準可支援 IEEE 802.3 10GbE 乙太網路標準。搭配 VCSEL 調變使用時，OM3 多模纜線可在最遠 300 公尺 (m) 的距離下提供 10 Gb/s 的速率。在大多數情況下，OM3 多模光纖鏈路是最具成本效益的解決方案，適合最長達約 500 公尺的應用。OM4 多模鏈路可支援長達 1 公里的距離。若要更遠的距離和更高的數據傳輸率，則需使用單模光纖。

銅纜和光纖用的 SFP

小型可插拔 (SFP) 介面是一種緊湊、可熱插拔的網路模組型式，可用於數據通訊和電信網路。乙太網路交換機等網路硬體上的 SFP 介面，是特定於媒體收發器 (如銅纜或光纖纜線) 用的模組化插槽。SFP 能讓連接埠根據需求搭配不同類型的收發器。SFP 取代了以前開發且更大的 Gigabit 面轉換器 (GBIC)，有時稱為 mini-GBIC。小規格尺寸委員會已透過多源協議 MSA SFF-8472 制訂了外形尺寸、機械聯鎖和電氣介面 (圖 2)。除了標準 SFP 介面外，可使用 SFP+ 達到最高 10 Gbit/s 的更高速度，或使用 SFP28 達到 25 Gbit/s。

圖 2：光纖 SPF 模組的機械元件具有閂鎖和連鎖機制，並有光纖和電氣連接。(圖片來源：Intelligent Network Solutions 與 Jeff Shepard)

也有提供 SFP 光纖收發器，可支援同步光纖網路 (SONET)、Gigabit 乙太網路、光纖通道、被動光纖網路 (PON) 和其他通訊標準。

數位診斷監測

MSA SFF-8472 還定義了光纖收發器的 DDM 功能。DDM 有時稱為數位光學監測 (DOM)。DDM 能讓網路管理員即時監測光學輸入／輸出功率、溫度、雷射偏壓電流和收發器電源電壓 (圖 3)。DDM 針對 GBIC 規範所制訂的序列 ID 介面進行擴充。DDM 包括警報和警示旗標，在操作參數超出原廠的正常操作設定時，就會發出警報。

圖 3：DDM 可以監測 SFP 光收發器的效能，並在任何參數超出標稱工作範圍時發送警報。(圖片來源： Intelligent Network Solutions)

DDM 可幫助預測故障，並且支援預防性維護，以達到最長的網路運作時間。收發器製造商會針對各種參數設定 DDM 臨界值。收發器操作超出任何臨界值時，會導致效能下降，且可能會導致傳輸錯誤。當參數值超過指定臨界值時，收發器會發出警報。此外，模組會停止傳輸數據，而且接收器將拒絕接收任何訊息。一次發出多個警報的情況並不少見；例如，如果發射光功率過高，溫度也可能很高。

雖然 DDM 會在超出預設臨界值時將系統關閉加以保護，但也可用於監測收發器的操作參數，可讓操作人員在真正超出破壞性程度之前，就看到數值朝錯誤方向邁進的情況，以便安排預防性維護。

多模光纖和 1 公里範圍

工業控制網路設計人員可以使用 Phoenix Contact 的 2891754 Gigabit SFP模組，就可支援長達 1 km的光纖傳輸、850 nm 波長操作的光纖傳輸 (圖 4)此模組適合工業應用，工作溫度介於 -40 至 85°C，濕度可高達 95%。傳輸距離取決於使用的光纖：

• 275 m、62.5/125 µm (OM1)
• 550 m、50/125 µm (OM2)
• 800 m、50/125 µm (OM3)
• 1000 m、50/125 µm (OM4)

圖 4：此 SFP 光收發器在 850 nm 波長並採用 OM4 纜線時，傳輸範圍為 1 km。(圖片來源：DigiKey)

單模光纖的範圍為 20 km

Intelligent Network Solutions 的 INT 506724 SFP 模組使用 1310 nm 雷射時，可透過單模 9/125 μm 光纖支援長達 20 km 的 1000Base-LX 數據傳輸。可支援 DDM，並採用金屬外殼，可降低電磁干擾 (EMI) 並提高耐用性 (圖 5)。工作溫度範圍為 0 至 70°C，可在 10% 至 85% 下達到指定效能。

圖 5：Intelligent Network Solutions 的 INT 506724 SFP 模組使用 1310 nm 雷射時，可透過單模 9/125 μm 光纖支援長達 20 km 的 1000Base-LX 數據傳輸。(圖片來源：Intelligent Network Solutions)

10 km SFP 收發器

Cisco 的 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 採用單模光纖運行，在插入 SFP+ 連接埠後，可支援長達 10 km 的傳輸距離。這些收發器可在同一鏈路上達到與 10GBASE XENPAK、10GBASE X2 和 10GBASE XFP 介面的光學互通性，並包含 DOM 功能，可監測即時效能。使用後，SFP-10G-BXD-I 會始終連接到 SFP-10G-BXU-I。SFP-10G-BXD-I 會發射 1330 nm 通道並接收 1270 nm 訊號，SFP-10G-BXU-I 則以 1270 nm 波長傳輸並接收 1330 nm 訊號 (圖 6)。

圖 6：這些光收發器使用不同的波長來發送和接收數據。(圖片來源：Cisco Systems)

工業乙太網路網管型交換機

網路工程師需要的 12 埠網管型 Gigabit 乙太網路交換機，具有八個連接埠搭配四個 SFP 複合埠，若需要 Modbus 監測，則可以採用 Red Lion 的 Sixnet SLX-8MG-1。SLX-8MG-1 具有八個 10/100/1000Base-T(X) 連接埠和四個 SFP 複合埠 (支援 100Base 或 1000Base 光纖收發器)。SLX-8MG 安裝在纖薄的硬化金屬 DIN 軌道外殼中，可用於嚴峻的工業環境，並可支援備援 的10 至 30 VDC 電源輸入，工作溫度介於 -40 至 75°C。還含有 Modbus/TCP 遠端監控、進階安全功能、延伸的防衝擊和振動能力，以及優異的電氣雜訊和突波耐受程度。

圖 7：SLX-8MG-1 網管型 Gigabit 乙太網路交換機具有八個 10/100/1000Base-T(X) 連接埠和四個 SFP 複合埠 (左上)。(圖片來源： Red Lion)

結論

混合式光纖和銅纜網路在石油天然氣精煉廠與化工廠等大型工業設施中，有助於提高營運效率、支援靈活生產、降低成本，並可確保安全可靠的操作。網路工程師可以使用網管型 Gigabit 乙太網路交換機來部署混合的光纖和銅纜通訊鏈路。使用多模與單模光纖支援最佳模態頻寬，並納入 DDM 功能，就可實施預防性維護，確保最長的網路運行時間。