【導讀】weilemanzugezhongbutongdeyaoqiu
，wangluogongchengshixuyaoanzhaozuiyoudehunhefangshilaibushutonglanhegezhongbutongleixingdeguangxiantongxinshebei，suoyouzhexieshebeidouyujuyourongyudianyuan、寬工作溫度能力
、遠程監控和高級安全功能的緊湊型工業以太網交換機相連。

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施等工業綜合體通常規模龐大
，麵臨提高運營效率、支持靈活生產、降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)和(he)確(que)保(bao)安(an)全(quan)運(yun)行(xing)等(deng)許(xu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan)。生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)的(de)連(lian)續(xu)性(xing)加(jia)劇(ju)了(le)這(zhe)種(zhong)挑(tiao)戰(zhan)。為(wei)了(le)確(que)保(bao)最(zui)佳(jia)運(yun)行(xing)
，這(zhe)些(xie)設(she)施(shi)中(zhong)的(de)工(gong)控(kong)網(wang)絡(luo)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)連(lian)續(xu)不(bu)斷(duan)地(di)監(jian)測(ce)數(shu)千(qian)個(ge)地(di)點(dian)的(de)溫(wen)度(du)、壓力
、振動、流量和其他參數。網絡可以延伸數公裏 (km)，同時需要各種不同的銅和光纖數據通信技術來支持一係列設備，從低帶寬傳感器

，到更高帶寬的實時控製和安全設備。

weilemanzugezhongbutongdeyaoqiu，wangluogongchengshixuyaoanzhaozuiyoudehunhefangshilaibushutonglanhegezhongbutongleixingdeguangxiantongxinshebei，suoyouzhexieshebeidouyujuyourongyudianyuan、寬工作溫度能力、遠程監控和高級安全功能的緊湊型工業以太網交換機相連。

本文首先簡要介紹工業以太網 (IE)，包括對光纖/銅纜混合數據通信網絡的需求以及對光纖的特別關注。本文就單模 (SM) 和多模 (MM) 光纖進行了比較，研究了熱插拔光纖模塊標準以及光纖模塊的數字診斷監測儀 (DDM) 如何工作，然後介紹 Cisco Systems,、Phoenix Contact 和 Intelligent Network Solution 的一係列光纖數據通信設備，以及 Red Lion Controls 提供的托管型工業以太網交換機，這種交換機采用混合型銅和光纖端口以及硬質 IP40 外殼。

IE 基於使用各種以太網協議，以及具有擴展溫度範圍的交換機
、堅固耐用的互連器件，從而能適應各種惡劣的環境。IE 可以支持實時控製和確定性，並通過諸如 EtherCAT
、EtherNet/IP、PROFINET 和 Modbus TCP 等一些列通信協議完成具體實施。

IE 網wang絡luo預yu計ji會hui在zai傳chuan統tong和he現xian有you係xi統tong之zhi間jian提ti供gong某mou種zhong程cheng度du的de互hu操cao作zuo性xing

，仍reng然ran具ju有you可ke預yu測ce的de性xing能neng並bing且qie易yi於yu維wei護hu，可ke最zui大da限xian度du地di延yan長chang正zheng常chang運yun行xing時shi間jian。在zai大da型xing設she施shi中zhong，銅tong纜lan和he光guang纖xian互hu連lian器qi件jian經jing常chang組zu合he使shi用yong。在zai適shi當dang的de時shi候hou，銅tong纜lan可ke以yi作zuo為wei低di成cheng本ben替ti代dai品pin。然ran而er，使shi用yong光guang纖xian能neng夠gou減jian少shao與yu電dian氣qi噪zao聲sheng有you關guan的de問wen題ti，提ti供gong電dian氣qi隔ge離li
，並bing支zhi持chi更geng長chang的de互hu連lian長chang度du，這zhe在zai大da而er分fen散san的de工gong業ye綜zong合he體ti中zhong可ke能neng特te別bie有you用yong。

MM 與 SM 光纖

youyuxianxinhebaocengzhijiandeguangxuezhishubupipeidaozhiquanneifanshe，suoyiguangzaiguangxianshangchuanbo。xianxinzhijingfeichangguanjian，tadingyilejieshouzhuijiao。gaijiaobaohanleguangxianjinruguangxianhoukeyijixuchuanbodejiaodu。SM 光纖采用小型 10 μm 纖芯，隻能支持一種傳播模式

，即基本模式。相對於光的工作波長，MM 光纖有較大的纖芯直徑。那些較大的纖芯可同時引導許多種模式的光，即駐波模式光（圖 1）。ISO/IEC 11801 標準根據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。光纖可以根據纖芯和光纜的直徑進行分類。例如，62.5/125 μm 是指 OM1 MM。50/125 μm 光纜用於 OM2

、OM3
、OM4 和 OM5 MM，而 10/125 μm 則屬於 SM 光纜。

圖 1：MM 光纖的直徑相對較大
，可同時傳輸多種模式的光。（圖片來源：Cisco Systems）

MM 光纖可使用發光二極管 (LED) 光源操作，但更高性能的設計會采用垂直腔表麵發射激光器 (VCSEL)。VCSEL 的采用使得 MM 光纖網絡能夠實現數千兆的數據速率。

五類 MM 光纖均基於光波長度（單位：納米）、纖芯直徑 (μm) 和模態帶寬。模態帶寬是以 km 為單位的給定距離內的最大信號速率 (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)。對於一條給定光纜，當距離減半時，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 處的最小模態帶寬為 200 MHz·km
OM2：50 μm 纖芯

，在 850 nm 處的最小模態帶寬為 500 MHz·km
OM3：50 μm 纖芯
，在 850 nm 處的最小模態帶寬為 2000 MHz·km
OM4：50 μm 纖芯，在 850 nm 處的最小模態帶寬為 4700 MHz·km
OM5：50 μm 纖芯
，在 850 nm 處的最小模態帶寬為 4700 MHz·km
，在 953 nm 處為 2470 MHz·km

OM3 標準旨在支持 IEEE 802.3 10GbE 以太網標準。當與 VCSEL 調製配合使用時

，OM3 MM 光纜可在長達 300 m 的距離內提供 10 Gb/s 的傳輸速度。大多數情況下，OM3 MM 光纖鏈路在 500 米以內的應用中是最經濟的解決方案。OM4 MM 鏈路可以支持高達 1 km 的距離。對於更遠的距離和更高的數據速率，則需要使用 SM 光纖。

用於銅纜和光纖的 SFP

小型可插拔 (SFP) 接口是一種緊湊型可熱插拔網絡模塊格式，可用於數據通信和電信網絡。網絡硬件上的 SFP 接口與以太網交換機類似，是一種模塊化插槽，用於諸如銅纜或光纜等特定介質的收發器。SFP 可使端口根據需要配備不同類型的收發器。SFP 取代了之前開發的較大的千兆接口轉換器 (GBIC)
，因此有時會被稱為“mini GBIC”。小型化委員會通過了多源協議，即 MSA SFF-8472（圖 2），規定了具體的外形尺寸、機械聯鎖和電氣接口。除了標準 SFP 接口外，還可使用 SFP+ 實現更高的速度（最高可達 10Gb/s），SFP28 的速度可達 25Gb/s。

圖 2：光纖 SPF 模塊的機械元件，突出顯示了閂鎖和聯鎖機構以及光纖和電氣連接。（圖片來源：Intelligent Network Solutions and Jeff Shepard）

SFP 光纖收發器可支持同步光網絡 (SONET)
、千兆以太網、光纖信道
、無源光網絡 (PON) 和其他通信標準。

數字診斷監控

MSA SFF-8472 還定義了光纖收發器的 DDM 功能。DDM 有時被稱為數字光學監控 (DOM)。DDM 可讓網絡管理員實時監控光輸入/輸出功率、溫度、激光器偏置電流和收發器電源電壓（圖 3）。DDM 是 GBIC 規範中定義的串行 ID 接口的一種擴展。DDM 包括報警和警告標誌，如果運行參數超出正常運行的工廠設置，就會發出警報。

圖 3：DDM 可監控 SFP 光收發器的性能

，並在任何參數超出標稱工作範圍時發出警報。（圖片來源：Intelligent Network Solutions）

DDM 旨在幫助預測故障並支持預防性維護
，以實現最長的網絡正常運行時間。收發器製造商為各種參數設置了 DDM 閾yu值zhi。在zai超chao過guo任ren何he閾yu值zhi的de情qing況kuang下xia操cao作zuo收shou發fa器qi都dou將jiang導dao致zhi性xing能neng下xia降jiang
，並bing可ke能neng產chan生sheng傳chuan輸shu錯cuo誤wu。當dang某mou個ge參can數shu的de值zhi超chao過guo其qi指zhi定ding的de閾yu值zhi時shi，收shou發fa器qi會hui發fa出chu警jing報bao。此ci外wai，該gai模mo塊kuai將jiang停ting止zhi傳chuan輸shu數shu據ju，接jie收shou器qi同tong時shi將jiang拒ju絕jue接jie收shou任ren何he信xin息xi。同tong時shi發fa出chu多duo個ge警jing報bao的de情qing況kuang並bing不bu少shao見jian
；例如，如果發射光功率太高
，溫度也可能很高。

DDM 會hui在zai超chao過guo預yu設she的de閾yu值zhi時shi關guan閉bi並bing保bao護hu係xi統tong，但dan它ta也ye可ke用yong來lai監jian控kong收shou發fa器qi的de運yun行xing參can數shu，讓rang操cao作zuo員yuan能neng夠gou看kan到dao數shu值zhi在zai超chao過guo破po壞huai性xing水shui平ping前qian向xiang錯cuo誤wu的de方fang向xiang變bian化hua，從cong而er安an排pai預yu防fang性xing維wei護hu。

MM 光纖和 1 km 範圍

工控網設計者可以使用 Phoenix Contact 的 2891754 千兆 SFP 模塊
，並使用 850 nm 波長的光纖支持長達 1 km 的傳輸距離（圖 4）。該模塊適用於工業應用，其工作溫度範圍為 -40℃ 至 85℃，濕度高達 95%。傳輸距離取決於所使用的光纖：

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 數據傳輸，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 20 km。它支持 DDM，且金屬外殼減少了電磁幹擾 (EMI)，增加了耐用性（圖 5）。該模塊的工作溫度範圍為 0°C 至 70℃，規定的相對濕度 (RH) 為 10 - 85%。

圖 5：Intelligent Network Solutions 的 INT 506724 SFP 模塊支持 1000Base-LX 數據傳輸，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 20 km。（圖片來源：Intelligent Network Solutions）

10 km SFP 收發器

Cisco 的 SFP-10G-BXD-I 和 SFP-10G-BXU-I 采用 SM 光纖工作
，當插入 SFP+ 端口時的傳輸距離可達 10 km。這些收發器與同一鏈路上的 10GBASE XENPAK
、10GBASE X2 和 10GBASE XFP 接口之間存在光學互操作性

，並具有監控實時性能的 DOM 功能。使用時，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 波長發射，接收 1330 nm 信號（圖 6）。

圖 6：光收發器采用不同的波長來傳輸和接收數據。（圖片來源：Cisco Systems）

工業以太網托管型交換機

如果需要 12 端口托管型千兆以太網交換機（含 8 個端口、4 個 SFP 組合端口並具有 Modbus 監控功能），網絡工程師可采用 Red Lion 的 Sixnet SLX-8MG-1。SLX-8MG-1 有 8 個 10/100/1000Base-T(X) 端口
、4 個 SFP 組合端口（支持 100Base 或 1000Base 光纖收發器）。SLX-8MG 采用超薄硬化金屬 DIN 導軌外殼，可用於惡劣的工業環境，支持冗餘型 10-30 VDC 電源輸入且工作溫度範圍為 -40℃ 至 75℃。該交換機還具有 Modbus/TCP 遠程監控功能、高級安全功能，更強的抗衝擊和抗振動能力，以及抗高電氣噪聲和抗浪湧水平能力。

圖 7：SLX-8MG-1 托管型千兆以太網交換機具有 8 個 10/100/1000Base-T(X) 端口和 4 個 SFP 組合端口（左上）。（圖片來源：Red Lion）

結語

混合光纖和銅纜網絡有助於提高運行效率，支持靈活生產
，降低成本
，並確保石油和天然氣煉油廠

、化hua工gong廠chang等deng大da規gui模mo工gong業ye企qi業ye安an全quan和he可ke靠kao地di運yun行xing。網wang絡luo工gong程cheng師shi可ke以yi使shi用yong托tuo管guan型xing千qian兆zhao以yi太tai網wang交jiao換huan機ji來lai部bu署shu由you光guang纖xian和he銅tong纜lan組zu成cheng的de混hun合he通tong信xin鏈lian路lu。采cai用yong MM 和 SM 光纖支持最佳的模態帶寬
，包括 DDM 功能可以進行預防性維護
，以確保最長的網絡正常運行時間。

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