【導(dǎo)讀】為了滿足各種不同的要求，網(wǎng)絡(luò)工程師需要按照最優(yōu)的混合方式來部署銅纜和各種不同類型的光纖通信設(shè)備，所有這些設(shè)備都與具有冗余電源、寬工作溫度能力、遠(yuǎn)程監(jiān)控和高級安全功能的緊湊型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)相連。
諸如石油和天然氣煉油廠、化工廠、液化天然氣終端和類似設(shè)施等工業(yè)綜合體通常規(guī)模龐大，面臨提高運(yùn)營效率、支持靈活生產(chǎn)、降低成本和確保安全運(yùn)行等許多挑戰(zhàn)。生產(chǎn)過程的連續(xù)性加劇了這種挑戰(zhàn)。為了確保最佳運(yùn)行，這些設(shè)施中的工控網(wǎng)絡(luò)必須能夠連續(xù)不斷地監(jiān)測數(shù)千個(gè)地點(diǎn)的溫度、壓力、振動、流量和其他參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)可以延伸數(shù)公里 (km)，同時(shí)需要各種不同的銅和光纖數(shù)據(jù)通信技術(shù)來支持一系列設(shè)備，從低帶寬傳感器，到更高帶寬的實(shí)時(shí)控制和安全設(shè)備。
為了滿足各種不同的要求，網(wǎng)絡(luò)工程師需要按照最優(yōu)的混合方式來部署銅纜和各種不同類型的光纖通信設(shè)備，所有這些設(shè)備都與具有冗余電源、寬工作溫度能力、遠(yuǎn)程監(jiān)控和高級安全功能的緊湊型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)相連。
本文首先簡要介紹工業(yè)以太網(wǎng) (IE)，包括對光纖/銅纜混合數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的需求以及對光纖的特別關(guān)注。本文就單模 (SM) 和多模 (MM) 光纖進(jìn)行了比較，研究了熱插拔光纖模塊標(biāo)準(zhǔn)以及光纖模塊的數(shù)字診斷監(jiān)測儀 (DDM) 如何工作，然后介紹 Cisco Systems,、Phoenix Contact 和 Intelligent Network Solution 的一系列光纖數(shù)據(jù)通信設(shè)備，以及 Red Lion Controls 提供的托管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，這種交換機(jī)采用混合型銅和光纖端口以及硬質(zhì) IP40 外殼。
IE 基于使用各種以太網(wǎng)協(xié)議，以及具有擴(kuò)展溫度范圍的交換機(jī)、堅(jiān)固耐用的互連器件，從而能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。IE 可以支持實(shí)時(shí)控制和確定性，并通過諸如 EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET 和 Modbus TCP 等一些列通信協(xié)議完成具體實(shí)施。
IE 網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)會在傳統(tǒng)和現(xiàn)有系統(tǒng)之間提供某種程度的互操作性，仍然具有可預(yù)測的性能并且易于維護(hù)，可最大限度地延長正常運(yùn)行時(shí)間。在大型設(shè)施中，銅纜和光纖互連器件經(jīng)常組合使用。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，銅纜可以作為低成本替代品。然而，使用光纖能夠減少與電氣噪聲有關(guān)的問題，提供電氣隔離，并支持更長的互連長度，這在大而分散的工業(yè)綜合體中可能特別有用。
MM 與 SM 光纖
由于纖芯和包層之間的光學(xué)指數(shù)不匹配導(dǎo)致全內(nèi)反射，所以光在光纖上傳播。纖芯直徑非常關(guān)鍵，它定義了接收錐角。該角包含了光線進(jìn)入光纖后可以繼續(xù)傳播的角度。SM 光纖采用小型 10 μm 纖芯，只能支持一種傳播模式，即基本模式。相對于光的工作波長，MM 光纖有較大的纖芯直徑。那些較大的纖芯可同時(shí)引導(dǎo)許多種模式的光，即駐波模式光（圖 1）。ISO/IEC 11801 標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)兩種纖芯尺寸和各種不同的帶寬特性定義了五類 MM 光纖：OM1、OM2、OM3、OM4 和 OM5。光纖可以根據(jù)纖芯和光纜的直徑進(jìn)行分類。例如，62.5/125 μm 是指 OM1 MM。50/125 μm 光纜用于 OM2、OM3、OM4 和 OM5 MM，而 10/125 μm 則屬于 SM 光纜。
圖 1：MM 光纖的直徑相對較大，可同時(shí)傳輸多種模式的光。（圖片來源：Cisco Systems）
MM 光纖可使用發(fā)光二極管 (LED) 光源操作，但更高性能的設(shè)計(jì)會采用垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)。VCSEL 的采用使得 MM 光纖網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千兆的數(shù)據(jù)速率。
五類 MM 光纖均基于光波長度（單位：納米）、纖芯直徑 (μm) 和模態(tài)帶寬。模態(tài)帶寬是以 km 為單位的給定距離內(nèi)的最大信號速率 (MHz) 或給定信號速率下的最大距離的測量值，是帶寬與距離的乘積 (MHz·km)。對于一條給定光纜，當(dāng)距離減半時(shí)，最大信號傳輸率會翻倍。ISO/IEC 11801 定義的 MM 光纖等級是：
OM1：62.5 μm 纖芯，在 850 nm 處的最小模態(tài)帶寬為 200 MHz·km
OM2：50 μm 纖芯，在 850 nm 處的最小模態(tài)帶寬為 500 MHz·km
OM3：50 μm 纖芯，在 850 nm 處的最小模態(tài)帶寬為 2000 MHz·km
OM4：50 μm 纖芯，在 850 nm 處的最小模態(tài)帶寬為 4700 MHz·km
OM5：50 μm 纖芯，在 850 nm 處的最小模態(tài)帶寬為 4700 MHz·km，在 953 nm 處為 2470 MHz·km
OM3 標(biāo)準(zhǔn)旨在支持 IEEE 802.3 10GbE 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)與 VCSEL 調(diào)制配合使用時(shí)，OM3 MM 光纜可在長達(dá) 300 m 的距離內(nèi)提供 10 Gb/s 的傳輸速度。大多數(shù)情況下，OM3 MM 光纖鏈路在 500 米以內(nèi)的應(yīng)用中是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。OM4 MM 鏈路可以支持高達(dá) 1 km 的距離。對于更遠(yuǎn)的距離和更高的數(shù)據(jù)速率，則需要使用 SM 光纖。
用于銅纜和光纖的 SFP
小型可插拔 (SFP) 接口是一種緊湊型可熱插拔網(wǎng)絡(luò)模塊格式，可用于數(shù)據(jù)通信和電信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)硬件上的 SFP 接口與以太網(wǎng)交換機(jī)類似，是一種模塊化插槽，用于諸如銅纜或光纜等特定介質(zhì)的收發(fā)器。SFP 可使端口根據(jù)需要配備不同類型的收發(fā)器。SFP 取代了之前開發(fā)的較大的千兆接口轉(zhuǎn)換器 (GBIC)，因此有時(shí)會被稱為“mini GBIC”。小型化委員會通過了多源協(xié)議，即 MSA SFF-8472（圖 2），規(guī)定了具體的外形尺寸、機(jī)械聯(lián)鎖和電氣接口。除了標(biāo)準(zhǔn) SFP 接口外，還可使用 SFP+ 實(shí)現(xiàn)更高的速度（最高可達(dá) 10Gb/s），SFP28 的速度可達(dá) 25Gb/s。
圖 2：光纖 SPF 模塊的機(jī)械元件，突出顯示了閂鎖和聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)以及光纖和電氣連接。（圖片來源：Intelligent Network Solutions and Jeff Shepard）
SFP 光纖收發(fā)器可支持同步光網(wǎng)絡(luò) (SONET)、千兆以太網(wǎng)、光纖信道、無源光網(wǎng)絡(luò) (PON) 和其他通信標(biāo)準(zhǔn)。
數(shù)字診斷監(jiān)控
MSA SFF-8472 還定義了光纖收發(fā)器的 DDM 功能。DDM 有時(shí)被稱為數(shù)字光學(xué)監(jiān)控 (DOM)。DDM 可讓網(wǎng)絡(luò)管理員實(shí)時(shí)監(jiān)控光輸入/輸出功率、溫度、激光器偏置電流和收發(fā)器電源電壓（圖 3）。DDM 是 GBIC 規(guī)范中定義的串行 ID 接口的一種擴(kuò)展。DDM 包括報(bào)警和警告標(biāo)志，如果運(yùn)行參數(shù)超出正常運(yùn)行的工廠設(shè)置，就會發(fā)出警報(bào)。
圖 3：DDM 可監(jiān)控 SFP 光收發(fā)器的性能，并在任何參數(shù)超出標(biāo)稱工作范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)。（圖片來源：Intelligent Network Solutions）
DDM 旨在幫助預(yù)測故障并支持預(yù)防性維護(hù)，以實(shí)現(xiàn)最長的網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)間。收發(fā)器制造商為各種參數(shù)設(shè)置了 DDM 閾值。在超過任何閾值的情況下操作收發(fā)器都將導(dǎo)致性能下降，并可能產(chǎn)生傳輸錯(cuò)誤。當(dāng)某個(gè)參數(shù)的值超過其指定的閾值時(shí)，收發(fā)器會發(fā)出警報(bào)。此外，該模塊將停止傳輸數(shù)據(jù)，接收器同時(shí)將拒絕接收任何信息。同時(shí)發(fā)出多個(gè)警報(bào)的情況并不少見；例如，如果發(fā)射光功率太高，溫度也可能很高。
DDM 會在超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)關(guān)閉并保護(hù)系統(tǒng)，但它也可用來監(jiān)控收發(fā)器的運(yùn)行參數(shù)，讓操作員能夠看到數(shù)值在超過破壞性水平前向錯(cuò)誤的方向變化，從而安排預(yù)防性維護(hù)。
MM 光纖和 1 km 范圍
工控網(wǎng)設(shè)計(jì)者可以使用 Phoenix Contact 的 2891754 千兆 SFP 模塊，并使用 850 nm 波長的光纖支持長達(dá) 1 km 的傳輸距離（圖 4）。該模塊適用于工業(yè)應(yīng)用，其工作溫度范圍為 -40℃ 至 85℃，濕度高達(dá) 95%。傳輸距離取決于所使用的光纖：
275 m，采用 62.5/125 μm (OM1)
550 m，采用 50/125 μm (OM2)
800 m，采用 50/125 μm (OM3)
1000 m，采用 50/125 μm (OM4)
圖 4：該 SFP 光收發(fā)器在波長為 850 nm 和 OM4 光纜的情況下，其工作距離為 1 km。（圖片來源：Digi-Key）
使用 SM 光纖的距離 20 km
Intelligent Network Solutions 的 INT 506724 SFP 模塊支持 1000Base-LX 數(shù)據(jù)傳輸，使用 1310 nm 激光器在單模 9/125 μm 光纖上傳輸，最長傳輸距離可達(dá) 20 km。它支持 DDM，且金屬外殼減少了電磁干擾 (EMI)，增加了耐用性（圖 5）。該模塊的工作溫度范圍為 0°C 至 70℃，規(guī)定的相對濕度 (RH) 為 10 - 85%。
圖 5：Intelligent Network Solutions 的 INT 506724 SFP 模塊支持 1000Base-LX 數(shù)據(jù)傳輸，使用 1310 nm 激光器在單模 9/125 μm 光纖上傳輸，最長傳輸距離可達(dá) 20 km。（圖片來源：Intelligent Network Solutions）
10 km SFP 收發(fā)器
Cisco 的 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 采用 SM 光纖工作，當(dāng)插入 SFP+ 端口時(shí)的傳輸距離可達(dá) 10 km。這些收發(fā)器與同一鏈路上的 10GBASE XENPAK、10GBASE X2 和 10GBASE XFP 接口之間存在光學(xué)互操作性，并具有監(jiān)控實(shí)時(shí)性能的 DOM 功能。使用時(shí)，SFP-10G-BXD-I 總是與 SFP-10G-BXU-I 連接。SFP-10G-BXD-I 傳輸 1330 nm 通道，接收 1270 nm 信號，SFP-10G-BXU-I 以 1270 nm 波長發(fā)射，接收 1330 nm 信號（圖 6）。
圖 6：光收發(fā)器采用不同的波長來傳輸和接收數(shù)據(jù)。（圖片來源：Cisco Systems）
工業(yè)以太網(wǎng)托管型交換機(jī)
如果需要 12 端口托管型千兆以太網(wǎng)交換機(jī)（含 8 個(gè)端口、4 個(gè) SFP 組合端口并具有 Modbus 監(jiān)控功能），網(wǎng)絡(luò)工程師可采用 Red Lion 的 Sixnet SLX-8MG-1。SLX-8MG-1 有 8 個(gè) 10/100/1000Base-T(X) 端口、4 個(gè) SFP 組合端口（支持 100Base 或 1000Base 光纖收發(fā)器）。SLX-8MG 采用超薄硬化金屬 DIN 導(dǎo)軌外殼，可用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，支持冗余型 10-30 VDC 電源輸入且工作溫度范圍為 -40℃ 至 75℃。該交換機(jī)還具有 Modbus/TCP 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、高級安全功能，更強(qiáng)的抗沖擊和抗振動能力，以及抗高電氣噪聲和抗浪涌水平能力。
圖 7：SLX-8MG-1 托管型千兆以太網(wǎng)交換機(jī)具有 8 個(gè) 10/100/1000Base-T(X) 端口和 4 個(gè) SFP 組合端口（左上）。（圖片來源：Red Lion）
結(jié)語
混合光纖和銅纜網(wǎng)絡(luò)有助于提高運(yùn)行效率，支持靈活生產(chǎn)，降低成本，并確保石油和天然氣煉油廠、化工廠等大規(guī)模工業(yè)企業(yè)安全和可靠地運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)工程師可以使用托管型千兆以太網(wǎng)交換機(jī)來部署由光纖和銅纜組成的混合通信鏈路。采用 MM 和 SM 光纖支持最佳的模態(tài)帶寬，包括 DDM 功能可以進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，以確保最長的網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)間。
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