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IP通信應(yīng)用中串行通信電纜的再利用取決于各種因素。在一系列全面評估中，菲尼克斯電氣開始測試各種電纜，確定它們作為SPE物理層使用時可以實現(xiàn)IP通信的最大長度，并為電纜的再使用制定指導(dǎo)方針。

針對現(xiàn)場電纜設(shè)備的串行通信

幾十年來，以現(xiàn)場電纜總線形式出現(xiàn)的串行通信協(xié)議一直是自動化和現(xiàn)場設(shè)備之間的橋梁?，F(xiàn)場總線用于將位于不同位置的傳感器、執(zhí)行器、閥門和其它設(shè)備連接到通信金字塔的更高層次。與模擬通信方法相比，現(xiàn)場總線有幾個優(yōu)點，它們可以在單個通信信道上容納多個信號。圖1顯示了自動化金字塔中不同級別的表示，其中傳感器和執(zhí)行器依賴于現(xiàn)場電纜總線將信息傳遞到控制級別。

圖1：工廠自動化過程中的通信級別。

盡管現(xiàn)場電纜總線有許多好處，但與IP通信相比，在帶寬和延遲方面也存在一些缺點。許多現(xiàn)場總線的傳輸速度被限制在千比特/秒（Kb/s），而工業(yè)以太網(wǎng)支持的速度超過100兆比特/秒（Mb/s）。雖然不是所有現(xiàn)場電纜設(shè)備都需要IP通信的速度和低延遲，但可以通過提高性能進行優(yōu)化。

啟用IP現(xiàn)場電纜設(shè)備的優(yōu)點和挑戰(zhàn)

當(dāng)在現(xiàn)場考慮支持以太網(wǎng)設(shè)備時，不同電纜應(yīng)用布線基礎(chǔ)設(shè)施需求是非常重要的。工廠和建筑應(yīng)用可能使用銅電纜，而自動化工廠可以使用光纖電纜基礎(chǔ)設(shè)施進行高速數(shù)據(jù)傳輸。一旦集成到網(wǎng)絡(luò)中，啟用了IP現(xiàn)場電纜設(shè)備就可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部擁有一個IP地址和更通用的電纜網(wǎng)絡(luò)。這種通用性支持沒有網(wǎng)關(guān)、更高帶寬、加密和身份驗證等安全特性的實時通信。

圖2：從IP一直到現(xiàn)場級別，按鈕和攝像頭可以成為同一網(wǎng)絡(luò)的一部分。

現(xiàn)場級別實施以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的障礙之一是在建筑、工廠中已經(jīng)存在的串行通信電纜布線基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量。即使安裝新類別電纜設(shè)備也是一個選擇，現(xiàn)場電纜設(shè)備位置超過100米將需要中繼器增強電信號，或安裝光纖電纜基礎(chǔ)設(shè)施，但可能是昂貴的，而且在惡劣環(huán)境下彎曲和高溫會影響光纖。

使用串行布線進行IP通信

銅纜以太網(wǎng)的新物理層旨在擴大銅基礎(chǔ)設(shè)施的范圍，擴展到偏遠地區(qū)的電纜設(shè)備。IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)包含了用于以太網(wǎng)部署的所有物理層，單對以太網(wǎng)（SPE）物理層覆蓋了不同的速度和配置，用于在單對電線上的全雙工和半雙工通信（圖3）。用于以太網(wǎng)通信電纜的物理層與未來的協(xié)議，這意味著它們與用于工廠、過程和建筑自動化的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議兼容。

圖3： IEEE 802.3針對SPE和工作組的標(biāo)準(zhǔn)。

SPE物理層指定了屏蔽或非屏蔽差分導(dǎo)體對，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)現(xiàn)場電纜總線的布線相匹配，如RS485, CAN, Foundation Fieldbus, Profibus PA, BACnet等。

在現(xiàn)場電纜設(shè)備上部署SPE的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)可用，制造商將繼續(xù)發(fā)布連接器和芯片組或PHY。交換機也可用（圖4），包括支持過程自動化的高級物理層（以太網(wǎng)APL）的電纜設(shè)備，以及支持數(shù)據(jù)線電源（PoDL）的10BASE-T1L通信的交換機，使數(shù)據(jù)傳輸高達10 Mb/s和現(xiàn)場電源設(shè)備。

圖4： SPE傳感器和現(xiàn)場設(shè)備可以連接到控制系統(tǒng)、工程工作站和云計算上。

在SPE的背景下，通信電纜再利用的問題一直存在。危險區(qū)域內(nèi)部署安全的10 Mb/s SPE，以及自動化中的以太網(wǎng)APL，允許重用基礎(chǔ)現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線PA線的電纜設(shè)備。工廠和建筑自動化市場尚未提出針對現(xiàn)有串行布線的SPE的具體指導(dǎo)方針。雖然SPE物理層的IEEE規(guī)范適用于這兩個市場，但關(guān)于串行通信電纜可以在多大程度上用于長距離IP通信仍存在問題。作為一家制造商，菲尼克斯電氣已經(jīng)開始通過測試各種電纜來回答這個問題，確定它們作為SPE物理層使用時可以實現(xiàn)IP通信的最大長度。

在單對以太網(wǎng)物理層上進行IP通信

如果沒有對相關(guān)電纜設(shè)備結(jié)構(gòu)進行徹底評估，就不應(yīng)嘗試電纜設(shè)備重復(fù)使用。任何被考慮重用的通信電纜都應(yīng)進行測試，確保插入損耗（IL）、返回損耗（RL）等滿足規(guī)范中描述的所有參數(shù)。此外，還應(yīng)考慮到通信電纜的年限和物理完整性，避免不連續(xù)性。因此，我們繼續(xù)研究一些串行通信電纜可以用于SPE傳輸?shù)某潭取?/p>

在這次調(diào)查中，我們測試了三種不同的串行通信電纜。串行通信電纜的端接使用現(xiàn)場可纏繞的SPE T1 CIM SF連接器（圖5）。電纜設(shè)備的特性如下：

* 電纜類型YV 2×0.8/1.4，開關(guān)線，也稱為鐘形線，無屏蔽。

* 電纜類型為J-Y（ST）Y 2x2x0.8，帶屏蔽的，用于在建筑物中傳輸KNX信號。

* BACnet雙絞線增壓額定EIA-485通信電纜，屏蔽。

圖5：現(xiàn)場可纏繞的SPE連接器IEC 63171-2，用于終止串行通信電纜到Fluke DSX 8000原型適配器。

電纜測試過程的一部分包括找到一種方法來考慮現(xiàn)實的電纜安排，因為一些電纜部署可能會擴展到不同的領(lǐng)域。在進行電纜測試時考慮了兩種配置，如圖6所示。這些配置在開放和終止位置進行電纜測試，從而確定終止線路對鏈路長度性能的影響。

圖6：用于評估潛在電纜重復(fù)利用的真實電纜配置。

在測量超過40米的長度和終止支線時性能最好。這種配置產(chǎn)生了良好的結(jié)果，并表明該配置足以適用于SPE傳輸。

下一步是確定這些電纜可以運行SPE的最大距離。信噪比（SNR）的測量值被用來確定電纜的最大可能范圍。這個電纜測試的結(jié)果產(chǎn)生了以下結(jié)果：

* 電纜1（YV）的最大變化范圍為910 m，信噪比為27.6 dB。

* 電纜2（J-Y（St）Y）的最大變化范圍為420 m，信噪比為30.1 dB。

* 電纜3（24/1 PR）的最大傳輸范圍為700 m，信噪比為27.6 dB（圖7）。

這些電纜測量表明，SPE傳輸雖然不是在最大長度，可以使用串行通信電纜實現(xiàn)。

圖7：所測試的不同電纜的信噪比結(jié)果。

在IP應(yīng)用中串行通信布線再利用是可能的，這取決于各種因素。應(yīng)檢查電纜的狀況，避免出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。電纜的配置起著重要作用，應(yīng)該謹慎評估電纜重復(fù)使用。

在考慮電纜設(shè)備重復(fù)使用之前，應(yīng)該對現(xiàn)有串行布線進行徹底評估和確認，因為這是確保在現(xiàn)有配置中性能的唯一方法。對于短距離評估，重點應(yīng)該是回程損耗。對于長距離，重點應(yīng)該是信號衰減，因為結(jié)果表明，距離可能是一個限制因素。雖然串行通信傳輸使用SPE（10BASE-T1L）的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的1公里長時可能達不到10Mb/s，但仍然可以在小于1公里的距離內(nèi)實現(xiàn)傳輸。