作者：王亚辉 深圳市中技源专利城有限公司
1.前言
目前工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展，而其网络化必然要使用到光纤。与双绞线和同轴电缆等介质相比，塑料光纤（POF）具有带宽大、不受电磁干扰、无电磁辐射等优异性能，在工业恶劣环境中具有很高的可靠性，因此在工业控制网络中得到了广泛的应用，目前工业控制总线系统是塑料光纤最稳定和最大的市场之一。工业恶劣环境主要是指以下几方面的因素：
安装 温度影响 辐照和辐射 油侵蚀 机械力 电磁射频干扰 噪音和屏蔽 不当使用
施工安装中对光缆的的拉伸是最初的重要影响因素，安装好后，外部环境的高温、日光照射、紫外线辐射、电磁/射频干扰等都会对电缆性能造成一定影响，而同时因磨损、剪断和碾压等机械力、接地、平衡等也会带来很大影响。即便安装已经结束，哪怕是微小的机械应力或温度变化都有可能导致光纤微弯或受力不当，从而造成损耗升高、产生误码、甚至完全损坏光纤。这些来自于不同的人为或非人为因素都为以太网构成了一个恶劣的工业环境。[1]因此塑料光纤在工业网络中的应用和在家庭网络及汽车网络中应用具有很多不同之处。
塑料光纤和器件在工业网络中使用要具有可靠性、安全性和环境适应性，具体说来就是耐振动、耐冲击，耐腐蚀、防尘、防水，防爆，工作温度要求为-40～+85℃，电磁环境适应性或电磁兼容性EMC应符合EN50081-2、EN 50082-2标准。安装方便，适应工业环境的安装要求。
2.工业控制网络标准
工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为三个层次：即管理层、监控层和现场设备层。
最上层的是企业管理层网络，主要用于企业的计划、销售、库存、财务、人事以及企业的经营管理等方面信息的传输。管理层上各终端设备之间一般以发送电子邮件、下载网页、数据库查询、打印文档、读取文件服务器上的计算机程序等方式进行信息的交换，数据报文通常都比较长，吞吐量较大，而且数据通信的发起是随机的、无规则的，因为要求网络必须具有较大的带宽。管理层网络主要由快速Ethernet（100M、1G、10G等）组成。
中间的制造执行层网络主要用于监控、优化、调度等方面信息的传输，其特点是信息传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，因此要求网络具有较大的带宽，以前由专用网络如令牌网组成，召集这一层网络则主要由传输速率较高的网段（如10M、100MEthernet等）组成。
而最底层的现场设备层网络，与变送器、执行机构等现场设备相连，采集现场数据，并将控制数据送入设备。[2]底层设备通信主要有以下特点：
1．通信环境恶劣，可能受到温度、湿度变化、尘埃、电压波动、机械振动、电磁场干扰等因素影响；
2．信息传递主要是设备与设备之间，故对通信可靠性要求高；
3．通信内容和时间一般可以预先设定，随机、自发产生的信息相对较少，这可使通信协议大大简化；
4．由于有较多的监控信息，实时性要求高；
5．要求有一定有故障诊断和容错能力，以防止不必要的系统故障；
6．距离短，频度高。
基于上述特点，底层设备互连网络通常采用协议简单、响应迅速、可靠性高的主一从通信方式[3]。
在工业中使用的标准主要有现场总线和工业以太网标准，这些标准是由IEC（国际电工委员会）编写的。IECTC65 (IEC第65技术委员会)主管工业过程测量和控制（Industrial-process Measurement andControl）的国际标准化，分为下面几个部门：
TC 65A：系统考虑（System Aspects）
TC 65B：元件（Devices）
TC 65C：数字通信（Digital Communication）
TC 65D：分析设备（Analyzing Equipment）
工业网络方面的标准由TC 65C负责，现场总线和工业以太网标准都是由TC 65C来制定的。目前现场总线体系中，基于以太网的通信协议除了现场总线应用标准IEC 61784-1中包含的HSE、Ethernet/IP、Profinet之外，还包括EPA、EtherCAT、EthernetPowerLink、Vnet/IP、TCnet、Modbus/IDA等6个新的提案。
工业布线标准ISO/IEC 24702“工业建筑综合布线”在2006年10月发布的版本中，规定了新的环境规范和信道性能参数，包括衰减、带宽、距离限制和接头的参考规格[4]。
3.工业用塑料光缆
考虑到恶劣的工业环境，工业网络对塑料光缆的要求有别与通常在室内应用的塑料光缆，如消费电子和光纤到桌面方面的应用。要求POF光缆更加强韧、耐磨耐油，阻燃等，因此工业塑料光缆的设计尤为重要。通常是通过增加护套的层数、厚度以及选用强度高、韧性好，耐油耐磨、阻燃的塑料来实现的。工业控制系统中采用的塑料光纤最多的也是标准芯径（1000µm）的PMMA光纤，但在紧套层和护套材料的材质和尺寸设计方面就会有很大的差异，护套材质有PUR（聚氨酯）、尼龙、阻燃TPU等，同时还可加入抗张力纵向芳香尼龙纤维来增加强度。例如西门子公司的两种POF缆，可以使用与PROFINET兼容的SC RJ连接头简单地现场组装。两个Industrial Ethernet设备之间的最大线缆长度对于POF光纤是50m。室内应用的POF用PVC护套，室外使用的POF缆采用耐用的PUR护套材料[5]。
混合缆：用于机床或生产设备，POF提供了最好的对EMI的免疫性；铜芯传送电力到液压控制和执行及传感器件，适用于恶劣的的环境。DESINA是用于标准化电气、液压和气动元件及其在一个由CNC控制的工具机与制造系统共通平台相互联结的规格。它规定IO模块与传感器、执行器之间连接的接头，电缆等的机械和电气特性。此标准由德国主要的传感器、执行器以及电气联接方面的厂商发起和推广，而且从2005年11月起成为国际标准：ISO23570 part 1 and part 2。[6]德国缆普集团和易格斯公司都生产符合DESINA标准的使用了POF的混合缆[7]。
5.交换机及光纤收发器
工业以太网交换机，作为工业以太网的核心设备，其实质与传统意义的交换机一样，是一种数据链路层设备，它通过硬件完成以往网桥使用软件来完成的过滤、学习和转发过程，能有效地提高网络传输效率，减少网络故障。工业以太网交换机具有以下特点：
实时性高：随着快速以太网与交换式以太网技术的发展，通信速率从10M、100M增大到如今的1000M、10G，千兆交换机市场份额正在加大，完全可以胜任控制响应时间大于5ms的系统。
可靠性好：卡轨式安装技术的出现，解决了极端条件下网络也能稳定工作的问题；各种冗余型交换机不断涌现，采用快速生成树冗余(RSTP)、环网冗余(RapidRing)和主干冗余(Trunking)等技术，网络断开恢复时间从500ms发展到300ms甚至到10ms以内，很好地保障了工业系统的可靠性；为适应苛刻的工业现场环境，越来越多的宽温交换机产品面世，一般宽温范围已达－40℃～75 ℃。
功能多样：从非管理型交换机到管理型交换机是一次技术的飞跃，体现了越来越高的智能化和用户友好性，相对集线器和非管理型交换机，管理型交换机拥有更多更复杂的功能，如用于远程监视和配置的简单网络管理协议(SNMP)，用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的虚拟局域网(VLAN)，用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等[8]。
西门子新推出的SCALANCE X201-3P IRT，SCALANCE X202-2P IRT和SCALANCE X200-4P．IRT (Isochronous RealTime) 是第一批集成了ERTEC (Enhanced RealTime Controller) 和SC RJ POF/PCF FOC (Polymer Optical Fiber, Polymer Cladded Fiber) 接口的SCALANCE产品的SIMATIC NET Industrial Ethernet实时交换机，这些接口是PROFINET标准。通过电气RJ45和光纤SC RJ口的不同组合，这些交换机非常理想地适用于Industrial Ethernet星型、线型和环型结构的设计，环型结构的重新配置时间小于300 ms (集成的冗余管理器)。FOC接口用于通过适合的SCRJ插头连接SIMATIC NET POF和PCF线缆[9]。
6.工业用塑料光纤连接器
工业用塑料光纤连接器除了像通常的连接器要考虑的因素如材料、成本、连接损耗之外，特殊的一方面是要考虑到工业环境之下如何设计。一些工业用的1mm POF连接器类型是SMA、ST 、PN/F07和AVAGO versatile link。表1是常用的工业网络连接器类型[10]。
表1.工业网络连接器类型
工业网络 | 网络标准 | 连接器类型 | 光纤类型 |
信息/企管 | Ethernet/IP | Commercial FO (primarily B-FOC, SC) | SM&GIMM |
执行/控制 | ArcNet/ControlNet | B-FOC SMA | GIMM,HCS GI-POF |
底层设备 | FieldBus (packetdata) | FFieldBus, LonWorks ProfiBus-PA | B-FOC,SMA TOSLink,HP VersatileLink | GIMM,HCS |
DeviceBus (bytedata) | DeviceNet, ProfiBus-DP, InterBus | SMA,TOSLink HPVersatileLink | HCS,POF |
SensorBus (bitdata) | ASI SeriPlex | Vlink和自有的 | HCS POF |
最小的SC型双芯连接器 (SC-RJ)：
R&M公司生产的符合IEC 61754新的标准，插拔型，只有SC双芯连接器(SFF)一半的尺寸。
用于“严酷”环境的POF 连接器：
R&M的SC-RJ w / IP67是密封的POF连接器，符合IP54、 IP 65或IP 67等级，见图2b。
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参考文献：
[1]恶劣环境下以太网电缆应有的特点，江帆，通信市场，2005年08期
[2]工业自动控制网络通信的特点
[5]西门子公司资料
[7]德国缆普集团和易格斯公司网上资料
[8]从国际知名企业主要产品特点看工业以太网交换机技术发展趋势
[9]西门子公司资料
[10]POF连接器PaulM.Mulligan，FiberFinInc.