【導讀】為了滿足各種不同的要求，網絡工程師需要按照最優的混合方式來部署銅纜和各種不同類型的光纖通信設備，所有這些設備都與具有冗余電源、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，面臨提高運營效率、支持靈活生產、降低成本和確保安全運行等許多挑戰。生產過程的連續性加劇了這種挑戰。為了確保最佳運行，這些設施中的工控網絡必須能夠連續不斷地監測數千個地點的溫度、壓力、振動、流量和其他參數。網絡可以延伸數公里 (km)，同時需要各種不同的銅和光纖數據通信技術來支持一系列設備，從低帶寬傳感器，到更高帶寬的實時控制和安全設備。
為了滿足各種不同的要求，網絡工程師需要按照最優的混合方式來部署銅纜和各種不同類型的光纖通信設備，所有這些設備都與具有冗余電源、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，然后介紹 Cisco Systems,、Phoenix Contact 和 Intelligent Network Solution 的一系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 基于使用各種以太網協議，以及具有擴展溫度范圍的交換機、堅固耐用的互連器件，從而能適應各種惡劣的環境。IE 可以支持實時控制和確定性，并通過諸如 EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET 和 Modbus TCP 等一些列通信協議完成具體實施。
IE 網絡預計會在傳統和現有系統之間提供某種程度的互操作性，仍然具有可預測的性能并且易于維護，可最大限度地延長正常運行時間。在大型設施中，銅纜和光纖互連器件經常組合使用。在適當的時候，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指數不匹配導致全內反射，所以光在光纖上傳播。纖芯直徑非常關鍵，它定義了接收錐角。該角包含了光線進入光纖后可以繼續傳播的角度。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面發射激光器 (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 光纖均基于光波長度（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)。對于一條給定光纜，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 調制配合使用時，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。對于更遠的距離和更高的數據速率，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絡模塊格式，可用于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，用于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 規范中定義的串行 ID 接口的一種擴展。DDM 包括報警和警告標志，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，并在任何參數超出標稱工作范圍時發出警報。（圖片來源：Intelligent Network Solutions）
DDM 旨在幫助預測故障并支持預防性維護，以實現最長的網絡正常運行時間。收發器制造商為各種參數設置了 DDM 閾值。在超過任何閾值的情況下操作收發器都將導致性能下降，并可能產生傳輸錯誤。當某個參數的值超過其指定的閾值時，收發器會發出警報。此外，該模塊將停止傳輸數據，接收器同時將拒絕接收任何信息。同時發出多個警報的情況并不少見；例如，如果發射光功率太高，溫度也可能很高。
DDM 會在超過預設的閾值時關閉并保護系統，但它也可用來監控收發器的運行參數，讓操作員能夠看到數值在超過破壞性水平前向錯誤的方向變化，從而安排預防性維護。
MM 光纖和 1 km 范圍
工控網設計者可以使用 Phoenix Contact 的 2891754 千兆 SFP 模塊，并使用 850 nm 波長的光纖支持長達 1 km 的傳輸距離（圖 4）。該模塊適用于工業應用，其工作溫度范圍為 -40℃ 至 85℃，濕度高達 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，并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 組合端口并具有 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，可用于惡劣的工業環境，支持冗余型 10-30 VDC 電源輸入且工作溫度范圍為 -40℃ 至 75℃。該交換機還具有 Modbus/TCP 遠程監控功能、高級安全功能，更強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于提高運行效率，支持靈活生產，降低成本，并確保石油和天然氣煉油廠、化工廠等大規模工業企業安全和可靠地運行。網絡工程師可以使用托管型千兆以太網交換機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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