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以太網(wǎng)最初于 1970 年代由施樂帕洛阿爾托研究中心 (PARC)開發(fā)，現(xiàn)已發(fā)展成為世界上最常見的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在過去的幾十年里，標(biāo)準(zhǔn)的巨大變化和擴(kuò)展使以太網(wǎng)能夠解決最初開發(fā)人員從未設(shè)想過的各種應(yīng)用。
這些應(yīng)用之一是工業(yè)以太網(wǎng)。供應(yīng)商和標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)采用以太網(wǎng)的底層物理層來創(chuàng)建各種技術(shù)，例如 PROFINET、Ethernet/IP（工業(yè)協(xié)議）、EtherCAT 和 Modbus-TCP，這些技術(shù)針對工業(yè)自動化進(jìn)行了優(yōu)化。
圖 1. DSX CableAnalyzer™屏幕顯示不同端到端電纜配置的測試限制，包括 E1、E2 和 E3 限制。
布線標(biāo)準(zhǔn)和連接器
所有工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用都設(shè)計為在類似于“常規(guī)”以太網(wǎng)中使用的雙絞銅線或光纖電纜上工作，并針對工廠環(huán)境進(jìn)行了一些修改。國際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO)和電信行業(yè)協(xié)會 (TIA)制定了一套規(guī)范來定義工業(yè)場所內(nèi)的潛在環(huán)境條件。這些被稱為機(jī)械、入口、氣候/化學(xué)、電磁 (MICE) 規(guī)范。MICE 級別描述了不同程度的環(huán)境條件，MICE 1 定義了典型的辦公環(huán)境，MICE 2 定義了稍微惡劣的環(huán)境，MICE 3 定義了重工業(yè)。
為了滿足這些要求，供應(yīng)商開發(fā)了專門的電纜和連接器。這包括可以在被擠壓、加熱、浸入或暴露于腐蝕性化學(xué)品時運行的電纜。在大多數(shù)情況下，這會影響對電纜外護(hù)套的要求，而無論是 MICE 1 還是 MICE 3，電氣特性都保持不變。但是，在電磁要求中發(fā)現(xiàn)了一個顯著差異，其中對橫向轉(zhuǎn)換損耗的具體要求(TCL) 指定用于 E1、E2 和 E3。該規(guī)范測量電纜抵抗外部電信號干擾的能力，例如由焊工、變速驅(qū)動器和高壓電源產(chǎn)生的電信號。
連接器受到特殊審查，因為它們可能成為入口點。一種方法是將標(biāo)準(zhǔn) 8 針模塊化連接器 (RJ-45) 裝入密封的旋入式插座中。該連接器的優(yōu)點是與大多數(shù)“常規(guī)”以太網(wǎng)設(shè)備和電纜兼容。“M12”連接器專為更嚴(yán)格的沖擊和振動應(yīng)用而開發(fā)，具有小型圓形鎖定螺釘型連接器，可包括兩對 (M12-D) 或四對 (M12-X)。常見的工業(yè)布線配置包括電纜一端的模塊化 8 針連接器，連接到另一端的 M12 連接器。
布線問題
圖 2. DSX CableAnalyzer顯示屏顯示 TIA 1005 6A 類鏈路通過 E2 限制的測試結(jié)果。
超過一半的工業(yè)以太網(wǎng)問題可以追溯到布線。其中一些會在啟動過程中立即出現(xiàn) - 其他可能會允許連接正常運行，直到環(huán)境變化等因素導(dǎo)致通信失敗。以太網(wǎng)是一種強(qiáng)大的技術(shù)，即使在邊緣情況下也可以繼續(xù)進(jìn)行通信 - 但這些情況的變化可能會導(dǎo)致通信問題或未來完全失敗。以下是布線最常見的問題。
連接性
布線的最基本要求是一端的引腳連接到另一端的正確引腳。布線中的任何錯誤接線或開路都會導(dǎo)致硬通信故障。一個不太容易理解的接線問題是所謂的“分線對”，當(dāng)引腳連接到另一端的適當(dāng)引腳時，但電纜配對不正確。這可能導(dǎo)致間歇性或硬故障。
長度
通常，以太網(wǎng)電纜的長度限制為 100 米。太長的電纜會在兩個方面引起問題。首先，信號在通過電纜傳輸時會減弱——如果電纜太長，它們可能太弱而無法在遠(yuǎn)端正確接收。其次，以太網(wǎng)被設(shè)計為在特定時間范圍內(nèi)預(yù)期響應(yīng)——電纜太長造成的延遲會干擾這個時間。這些錯誤中的任何一個都可能導(dǎo)致硬故障或間歇性問題。例如，由于電纜的損耗隨溫度而增加，因此過長的電纜可能在較低溫度下可以接受傳輸，但在較高溫度下會失效。
相聲
這是對電纜內(nèi)線對之間電磁干擾的測量。例如，在“發(fā)送”對上傳輸?shù)男盘柨赡軙诮邮諏ι袭a(chǎn)生干擾信號。發(fā)射器可以將此干擾解釋為傳入信號并停止發(fā)送。同樣，這可能會導(dǎo)致硬故障或間歇性故障。隨著信號頻率的增加，串?dāng)_也會增加，使其成為網(wǎng)絡(luò)電纜最大性能的主要決定因素。
圖 3. DSX CableAnalyzer顯示 E3 級別測試失敗的結(jié)果。注意 TCL 故障。
盾牌完整性
許多工業(yè)以太網(wǎng)電纜都包含一個屏蔽層——通常是一個金屬箔，將每對電纜包裹在外部電纜護(hù)套內(nèi)。此屏蔽的目的是減少外部電磁干擾 (EMI) 的影響，該干擾可能來自電纜附近的高壓或大電流設(shè)備。EMI 可能會導(dǎo)致電纜上的傳輸錯誤，從而導(dǎo)致速度減慢甚至完全故障。這可能是一個非常難以解決的問題，因為它只會在干擾大到足以克服信號平衡時發(fā)生，例如當(dāng)附近的電機(jī)啟動或使用焊接工具時。為了使屏蔽有效地工作，沿整個路徑屏蔽電纜至關(guān)重要——即使屏蔽連續(xù)性的一個中斷也會大大降低其性能。所以，屏蔽測試必須能夠確保電纜的整個路徑都被屏蔽。這是一個特別困難的測量，因為屏蔽通常是接地的。如果兩端都接地，簡單的直流測量將無法確定屏蔽是否連續(xù)。
橫向轉(zhuǎn)換損耗 (TCL)
這是電纜“平衡”的衡量標(biāo)準(zhǔn)——它在一對的兩根線上傳輸相等信號的能力。雙絞線電纜依靠一對內(nèi)兩條線上相等但相反的信號之間的差異來實現(xiàn)高水平的抗噪性。如果布線導(dǎo)致信號不相等，則外部噪聲可能會對信號造成干擾，并使信號失真到接收設(shè)備無法識別的程度。如上所述，EMI 問題很難隔離和解決。為了解決這個問題，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)制定了 TCL 對 MICE E1、E2 和 E3 環(huán)境布線的要求。
請務(wù)必注意，使用經(jīng)制造商認(rèn)證以滿足上述要求的電纜和連接器對于確保無錯誤操作至關(guān)重要，但這不能保證。有時，即使是最好的供應(yīng)商也可能生產(chǎn)出不合規(guī)格的產(chǎn)品，更常見的是，不正確的安裝技術(shù)可能會將一系列頂級組件變成性能不佳的鏈接。
電纜測試意味著更多的正常運行時間
圖 4. DSX CableAnalyzer可以發(fā)現(xiàn)各種各樣的布線故障，并以任何技術(shù)人員都能理解的方式顯示它們。
配備了適當(dāng)?shù)碾娎|測試工具并對其使用有基本了解的組織可以通過三種方式使用它們來增加正常運行時間：
更快的啟動
在連接電纜之前測量上述參數(shù)是確保它符合所有要求的規(guī)格并因此正常工作的唯一方法。
防止計劃外停機(jī)
僅僅因為電纜可以在啟動時傳遞數(shù)據(jù)并不能保證它在所有情況下都能繼續(xù)工作。安裝后環(huán)境的變化可能會導(dǎo)致失敗。如果根據(jù)上述參數(shù)對電纜進(jìn)行測試并通過，則可以消除基于這些因素的后續(xù)電纜故障的可能性。
更快地解決問題
即使是經(jīng)過測試的電纜也可能因濫用（例如意外切割、拉開或熔化）而失效。在網(wǎng)絡(luò)故障的情況下，能夠快速診斷布線問題可以節(jié)省大量時間。無需花費數(shù)小時更換可疑電纜，只需幾秒鐘的測試即可驗證它是否正常，因此故障排除工作可以集中在其他地方。如果電纜壞了，測試儀中的診斷可以查明問題。例如，知道故障出在遠(yuǎn)端連接器意味著您需要花費幾分鐘更換一個壞的連接器，而不是花費數(shù)小時重新布線全新的電纜。
總之，安裝后測試電纜可以加快啟動過程并防止將來出現(xiàn)問題。在發(fā)生故障時使用方便的電纜測試儀可以節(jié)省數(shù)小時的故障排除和停機(jī)時間。
工業(yè)以太網(wǎng)電纜測試工具
電纜測試工具可分為兩類：部署前測試器和嵌套電纜和網(wǎng)絡(luò)的故障排除器。
圖 5. Cable+Network 測試儀，例如LinkIQ™可以顯示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，包括交換機(jī)端口、名稱、VLAN 和速度設(shè)置。
預(yù)部署（調(diào)試）測試人員
這些工具提供對上述所有布線參數(shù)的測試，包括串?dāng)_、屏蔽完整性和 TCL。DSX CableAnalyzer 系列是唯一可以測量所有這些參數(shù)的電纜測試儀，包括沿電纜路徑的屏蔽完整性。測試人員生成 PASS 或 FAIL 結(jié)果，并可以創(chuàng)建報告用于記錄目的。啟動前使用認(rèn)證工具進(jìn)行測試是了解電纜是否滿足上述所有要求規(guī)格的唯一方法，也是防止電纜問題的最佳方法。這些工具也可用于故障排除，不僅可以定位損壞的電纜，還可以定位更困難的問題，例如電纜中的水或不符合規(guī)范的連接器。
有線+網(wǎng)絡(luò)測試儀
這些工具提供了測試工業(yè)以太網(wǎng)布線以及連接到該布線的有源設(shè)備的能力。他們驗證電纜是否已正確連接（包括分對測試），并且可以測量電纜的長度并確定電纜斷裂的位置。他們還可以驗證所連接的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，顯示端口速度和以太網(wǎng)供電，在某些情況下，還可以顯示交換機(jī)名稱、端口號和 VLAN。這可以通過消除布線或交換機(jī)操作和配置問題來節(jié)省大量時間，從而使團(tuán)隊能夠?qū)Ｗ⒂趩栴}的真正所在。
無法投資認(rèn)證測試人員的團(tuán)隊仍然可以通過租用他們或聘請布線承包商在啟動前測試電纜來從他們的新項目中受益。電纜+網(wǎng)絡(luò)工具的低成本允許它們在任何設(shè)施中隨時可用，從而消除了在發(fā)生故障時安排租賃或承包商所需的時間。他們的成本很容易在解決單個網(wǎng)絡(luò)故障時節(jié)省的時間中收回。
用于工業(yè)以太網(wǎng)的 Fluke Networks 電纜測試產(chǎn)品比較
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MicroScanner™ PoE-IE
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LinkIQ™-IE
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DSX™ 系列
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主要應(yīng)用
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電纜+網(wǎng)絡(luò)故障排除
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電纜+網(wǎng)絡(luò)故障排除
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電纜安裝、故障排除
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連接性
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盾牌完整性
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TCL / MICE“E”級
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報告
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故障排除
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基本的
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基本的
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先進(jìn)的
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網(wǎng)絡(luò)測試
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速度高達(dá) 10 Gb/s PoE 電源
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速度高達(dá) 10 Gb/s、交換機(jī)名稱、端口、VLAN、PoE 電源、端口閃爍
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連接器支持
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RJ45、M12D、M12X 和 M8D
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RJ45、M12D、M12X 和 M8
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RJ45、M12D 和 M12X
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