原标题：如何在工业应用中实现混合控制网络

　　石油和天然气精炼厂、化工厂、液化天然气终端和类似设施等工业综合体规模庞大，面临着提高运营效率、支持灵活生产、降低成本以及确保安全可靠运营的挑战。生产过程的连续性加剧了挑战。为了确保最佳运行，这些设施中的工业控制网络必须持续监控数千个位置的温度、压力、振动、流量和其他参数。网络可以延伸几公里(km)，需要各种铜缆和光纤数据通信技术来支持一系列设备，从低带宽传感器到高带宽实时控制和安全设备。

　　为了实现这些不同的要求，网络工程师需要部署铜缆和各种类型的光纤通信设备的最佳组合，所有这些设备都通过具有冗余电源、宽工作温度功能、远程监控和高级安全功能的紧凑型工业以太网交换机连接。

　　本文首先简要概述了工业以太网(IE)，包括对混合光纤/铜缆数据通信网络的需求，特别关注光纤。它比较了单模 (SM) 和多模 (MM) 光纤，研究了热插拔光纤模块标准以及光纤模块的数字诊断监控 (DDM) 的工作原理，然后介绍了思科系统的一系列光纤数据通信设备， 菲尼克斯电气 和智能网络解决方案，以及一个托管工业以太网交换机，该交换机在硬化的IP40外壳中混合了铜缆和光纤端口 红狮控制.

　　IE基于使用以太网协议，具有扩展的温度范围开关，以及坚固的互连以承受恶劣的环境。IE可以支持实时控制和确定性，并使用一系列通信协议实现，如EtherCAT，EtherNet/IP，PROFINET和Modbus TCP。

　　IE网络有望在传统系统和当前系统之间提供一定程度的互操作性，并且仍然产生可预测的性能，并且易于维护以最大限度地延长正常运行时间。铜缆和光纤互连的组合通常用于大型设施。在适当的时候，铜可以提供一种低成本的替代品。然而，使用光纤可以减少与电噪声相关的问题，提供电气隔离，并支持更长的互连长度，这在大型和分散的工业园区中特别有用。

　　毫米纤维与微粒纤维

　　光沿着光纤传播，因为纤芯和包层之间的光学折射率不匹配会导致全内反射。纤芯的直径至关重要，它定义了包含进入光纤的光可以继续传播的角度的接受锥。SM光纤使用10微米(μm)的小芯，只能支持一种传播模式，称为基波模式。MM光纤相对于光的工作波长具有较大的芯径。这些较大的磁芯同时引导光的许多模式，也称为驻波模式(图 1)。ISO/IEC 11801 标准根据两种纤芯尺寸和各种带宽特性定义了五类 MM 光纤：OM1、OM2、OM3、OM4 和 OM5。光纤电缆可以根据芯和电缆的直径进行分类。例如，62。50/125 μm 电缆用于 OM2、OM3、OM4 和 OM5 MM，10/125 μm 是 SM 电缆的一个例子。

　　图 1：MM 光纤直径相对较大，可以同时支持多种光模式的传输。(图片来源：思科系统)

　　MM 光纤可以使用发光二极管 (LED) 光源，但更高性能的设计使用垂直腔面发射激光器 (VCSEL)。使用 VCSEL 使 MM 光纤网络能够提供数千兆位的数据速率。

　　五类MM光纤基于光波长(以纳米，nm为单位)，以μm为单位的芯径和模态带宽。模态带宽是给定距离(以 km 为单位)的最大信号速率(以兆赫兹 (MHz) 为单位)或给定信号速率的最大距离的度量，是带宽和距离 MHz·km 的乘积。对于给定的电缆，当距离减半时，最大信号速率加倍。ISO/IEC 11801 定义的 MM 光纤类别包括：

　　OM1：62.5 μm 磁芯，850 nm 时最小模态带宽为 200 MHz·km

　　OM2：50 μm 磁芯，最小模态带宽为 500 MHz·km，850 nm

　　OM3：50 μm 磁芯，850 nm 时最小模态带宽为 2000 MHz·km

　　OM4：50 μm 磁芯，在 850 nm 时最小模态带宽为 4700 MHz·km

　　OM5：50 μm 磁芯，850 nm 时最小模态带宽为 4700 MHz·km，953 nm 时最小模态带宽为 2470 MHz·km

　　OM3标准旨在支持IEEE 802.3 10GbE以太网标准。当与VCSEL调制一起使用时，OM3 MM电缆可以在最远300米(m)的距离内提供每秒10千兆位(Gb/s)的速度。在大多数情况下，OM3 MM光纤链路是最具成本效益的解决方案，适用于长达约500米的应用，OM4 MM链路可以支持长达1公里的距离。对于更长的距离和更高的数据速率，需要SM光纤。

　　用于铜缆和光纤的 SFP

　　小型可插拔 (SFP) 接口是一种紧凑的热插拔网络模块格式，用于数据通信和电信网络。以太网交换机等网络硬件上的 SFP 接口是特定于媒体的收发器(如铜缆或光纤电缆)的模块化插槽。SFP 使端口能够根据需要配备不同类型的收发器。SFP取代了以前开发的更大的千兆接口转换器(GBIC)，有时被称为“mini-GBIC”。小型委员会已通过多源协议 MSA SFF-8472 指定了外形尺寸、机械联锁和电气接口(图 2)。除了标准 SFP 接口外，使用 SFP+ 可实现高达 10 Gbit/s 的速度和 SFP28 可实现更高的速度(速度为 25 Gbit/s)。

　　图 2：光纤 SPF 模块的机械元件，突出显示闭锁和互锁机制以及光纤和电气连接。(图片来源：Intelligent Network Solutions and Jeff Shepard)

　　SFP 光纤收发器支持同步光纤网络 (SONET)、千兆以太网、光纤通道、无源光纤网络 (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 使网络管理员能够实时监控光输入/输出功率、温度、激光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 接口的扩展。DDM 包括警报和警告标志，如果操作参数超出正常操作的出厂设置，则发送警报。

　　图 3：DDM 可以监控 SFP 光收发器的性能，并在任何参数超出标称工作范围时发送警报。(图片来源：智能网络解决方案)

　　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 DDM 阈值。将收发器操作超过任何阈值将导致性能下降，并可能导致传输错误。当参数值超过指定阈值时，收发器会发送警报。此外，模块将停止传输数据，接收器将拒绝接收任何消息。一次发出多个警报的情况并不少见;例如，如果发射光功率过高，温度也可能很高。

　　虽然DDM将在超过预设阈值时关闭并保护系统，但它也可用于监控收发器的工作参数，并让操作员在超过破坏性水平之前看到朝错误方向移动的值，从而可以安排预防性维护。

　　MM 光纤和 1 公里范围

　　工业控制网络设计人员可以使用 2891754 菲尼克斯电气的千兆SFP模块，使用波长为850 nm的光纤，支持长达1公里的传输(图4)。该模块适用于工业应用，工作温度范围为 -40 至 85 °C，湿度高达 95%。传输距离取决于所使用的光纤：

　　275 米，62.5/125 微米 (OM1)

　　550 米，50/125 微米 (OM2)

　　800 米，50/125 微米 (OM3)

　　1000 米，50/125 微米 (OM4)

　　图 4：当使用 850 nm 波长和 OM4 电缆运行时，此 SFP 光收发器的范围为 1 km。(图片来源：数码钥匙)

　　使用 SM 光纤的 20 公里范围

　　智能网络解决方案 国际506724 SFP 模块支持 1310 nm 激光器通过单模 9/125 μm 光纤进行长达 20 km 的 1000Base-LX 数据传输。它支持 DDM，金属外壳可降低电磁干扰 (EMI) 并提高耐用性(图 5)。它的工作温度范围为 0 至 70 °C，额定相对湿度 (RH) 为 10% 至 85%。

　　图 5：智能网络解决方案的 INT 506724 SFP 模块使用 1310 nm 激光器，通过单模 9/125 μm 光纤支持长达 20 km 的 1000Base-LX 数据传输。(图片来源：智能网络解决方案)

　　10 公里 SFP 收发器

　　这 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 从思科使用 SM 光纤运行，插入 SFP+ 端口时支持长达 10 公里的传输距离。这些收发器在同一链路上与 10GBASE XENPAK、10GBASE X2 和 10GBASE XFP 接口具有光学互操作性，并包括监控实时性能的 DOM 功能。使用时，SFP-10G-BXD-I 始终连接到 SFP-10G-BXU-I。SFP-10G-BXD-I 发射 1330 nm 通道并接收 1270 nm 信号，SFP-10G-BXU-I 以 1270 nm 波长传输并接收 1330 nm 信号(图 6)。

　　图 6：这些光收发器使用不同的波长来发送和接收数据。(图片来源：思科系统)

　　工业以太网管理型交换机

　　需要 12 端口托管千兆以太网交换机的网络工程师可以转向 六网SLX-8MG-1 来自红狮。SLX-8MG-1具有八个10/100/1000Base-T(X)端口和四个SFP组合端口(支持100Base或1000Base光纤收发器)。SLX-8MG安装在纤薄的硬化金属DIN导轨外壳中，适用于具有挑战性的工业环境，并支持冗余的10-30 VDC电源输入和-40至75°C的工作温度范围。它还包括 Modbus/TCP 远程监控、高级安全功能、扩展的冲击和振动能力以及高电气噪声和浪涌抗扰度。

　　图 7：SLX-8MG-1 管理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(左上角)。(图片来源：红狮)

　　结论

　　混合光纤和铜缆网络有助于提高运营效率，支持灵活生产，降低成本，并确保石油和天然气精炼厂和化工厂等大型工业运营的安全运行。网络工程师可以使用托管千兆以太网交换机来部署光纤和铜缆通信链路的混合。使用 MM 和 SM 光纤支持最佳模态带宽，包括 DDM 功能可实现预防性维护，以确保最长的网络正常运行时间。