工厂如何设计结构化布线？｜干货分享

如何设计结构化布线？｜干货分享

在工厂中，与传统的点对点方式相比，结构化布线系统的优势与日俱增。

传统的工业控制系统，其中许多是专有的，并且通常基于使用螺丝端子连接的点对点布线，已经被无处不在的以太网和IP技术所取代了。这种转变引发了工厂车间数字设备的爆炸式增长，并增加了对高度结构化、基于标准的网络基础设施所提供的更高性能、带宽和可靠性的需求。

更多的设备意味着更多的数据在现代网络中以更高的速率传输。工业数据速率已从千比特/秒上升到兆比特/秒，在一些车间应用中甚至达到千兆位/秒。为了有效地以这些速率运行，确保工厂正常运行时间并降低成本，现代网络需要一个精心设计和经过验证的布线结构。

结构化布线系统还能够随着未来的发展而不断发展。工业数据速率最终将达到并有可能超过IT领域已经常见的每秒10吉比特的水平。与此同时，工业流程和机器正在变得更加智能，采用先进的仪器仪表、传感器和无线技术。

由于所有这些原因以及更多原因，结构化布线系统正在取代通常随意且临时的点对点方法。在结构化方案中，布线系统化地布置，并设法满足当今和未来的所有工业通信需求，包括语音、数据和视频。

要获得结构化布线的全部优势，需要采用同样系统的方法来概念化、指定、安装、测试和维护全厂网络。

结构化布线的定义

结构化布线系统包括设施中的五个子系统:

每个子系统区域中的布线都遵循定义的形式，通常由设备线（设备端的跳线）、永久链接（固定的实心导体布线）和工作区线（即连接到工作站的跳线）组成。这种布置称为通道。允许在通道中进行其他具有附加连接的配置。

永久链接是任何结构化布线系统的关键特征。例如，它从电信机房(TR)运行到分配点（例如插座或配线架）。该永久链接允许对从机器到更高级别网络的上行链路进行测试，帮助确保连接和机器都能按需运行。同样，在连接多个进程的环形网络中，结构化的布线配置允许对每个链路进行测试。

将此方法与点对点布线系统方法进行对比，后者很少涉及测试。相反，当工厂人员需要添加另一台机器或延长电缆的范围时，可以简单地使用跳线并将其插入开关面板。事实上，一些经验丰富的控制工程师习惯于通过剥去电线上的护套，并在两端连接一个连接器来创建自己的跳线。这些跳线的末端是插头，而不是插孔。

对于较短的跳线长度，这种点对点的做法可能就足够了。但如果跳线长度达到80或90米，这种“延长线”方法可能无法提供充分的性能。原因是：与结构化布线系统中使用的固体导体电缆相比，在点对点布线方法中普遍使用的双绞线电缆具有更低的导电性，因此插入损耗更高。

在整个工厂中，点对点连接可能会导致网络蔓延。在成百上千的非结构化的、非标准的和未识别的连接的包围下，自动化和IT人员可能会忘记什么与什么连接。

IT团队和自动化人员之间的协作是任何结构化布线项目成功的关键。IT人员非常熟悉企业级的结构化布线，而自动化人员最了解机器周围的工厂环境。

但合作并不止于此。维护和运营人员以及外部专家可以在结构化网络的实施和平稳运行中发挥重要作用。

遵循以下步骤来实施和维护最佳的结构化布线基础设施:

1. 自学。熟悉电信行业协会(TIA)、IEC和ODVA等组织制定的标准和最佳实践，这些组织提供有关机器级以太网/IP最佳实践的信息。

网络基础设施中关键光纤和铜缆连接的常见最佳实践包括:

标准组织还建立了网络运行因素的参数，例如错误率性能。如果错误率开始变得过高，就会减慢网络速度，并可能导致链路故障。

充分利用公司的结构化布线设计指南，例如Rockwell自动化、Panduit和Cisco的光纤应用指南。这些指南详细说明了如何为光纤和铜缆系统设计和部署结构化布线。还提供研讨会和其他类型的结构化布线培训。

2. 建立目标。评估当下需求，同时牢记未来。5年或10年后业务会发展到什么程度?如果想要达到每秒千兆位的设备数据速率，结构化布线可以提供最佳支持，并且可以进行测试以验证是否满足所需的性能水平。

通过结构化网络，工业工厂变得更具可扩展性，特别是如果其在初始安装时投资30%到40%的备用电缆。

3. 设计基础设施并制定规范。许多基于标准的工具可帮助设计结构化布线网络，包括Visio和CAD。此外，许多经验丰富的第三方合格专家可以帮助工厂执行流程中的这一关键步骤。

制定规范文件，以建立结构化布线标准，以及特定操作所需的材料。健全的规范将简化其余过程，包括安装、测试、操作和维护。

规范将涵盖如何实施工厂网络以实现可靠性、安全性和物理方面的考虑。其中包括布线本身的完整性，因为不合格的布线可能会带来严重后果。

IT和自动化人员应就规范文档进行协作，以在整个设施中推动最佳实践。规范通常详细说明如何实施结构化布线以将企业级连接到配电区域，以及如何将布线引入流程和单个机器。

该文档还允许指定所需带宽性能的标准，因此可以保持当前的一致性并为未来做好准备。还可以指定定位测试补丁点的关键位置以及测试要求。

保护网络免受环境影响是许多工厂的另一个关键考虑因素。如果存在电磁干扰(EMI)风险，那么可能需要屏蔽电缆或导管。TIA和IEC已经制定了与环境评估相关的标准，来帮助完成这一过程。

可能还需要制定物理识别策略，例如使用颜色编码的电缆和插孔，以及标记端口。此类策略将有助于降低安装风险，并且在未来很长一段时间内，因为人员将能够清楚地了解各种布线应连接的位置。

规范还应包括任何必要的安全策略，包括可锁定的外壳、端口封锁和插头锁定，以限制访问并帮助防止未经授权的连接或拆除跳线。

4. 安装。由于安装过程中包含许多细节，因此这是最有可能出错的步骤。例如，想要支持每秒千兆位通信的工厂可以购买正确的6类布线，但必须正确安装才能提供该速率。

确保安装人员了解结构化布线的复杂性，诸如弯曲半径和电缆扭曲、布线以及保护网络免受噪声源影响等详细信息。可以利用第三方认证的安装人员，或者通过参加可用的培训课程来确保自己的安装人员具备必要的专业知识。

市场上也有集成的标准化安装工具和产品，有助于减少所需的培训和专业知识。一个例子是使用所有最佳接线和布线实践进行预接线的机柜。

保持设备整洁。布线长距离和短距离电缆时，应将电缆捆扎。这样，可以轻松地对系统进行故障排除，进行必要的更改以适应生产需求，并对系统进行长期维护。确保使用基于标准的标签方案。

5. 测试。这正是基于标准的结构化布线网络真正发挥作用的地方。市场上有现成的测试设备，可帮助确保所获得的性能，并且可以在未来很好地依靠。

如果不进行测试，将面临启动延迟、停机、回调制造商以及其他一系列代价高昂的巨大麻烦的风险。

但是，有了成功的测试结果来衡量性能基准，可以利用定期关闭或升级机会来重新测试和验证网络——自动化系统的支柱。

6. 操作和维护。虽然结构化布线网络的设计和安装通常由专业团队（通常是第三方）进行，但该系统最终由工业自动化用户负责。

为了避免系统的后续降级，必须继续利用系统设计的功能和最佳实践，否则就有失去对其控制的风险。

一个常见的问题是传统的点对点做法的回归。工厂车间的某个人可能会决定插入新电源线来解决问题或满足临时需求。但如果没有正确捆绑或无法识别连接，可能会出现更多问题。最终，可能会留下多余的布线，因为工作人员使用了更长的跳线，而本应使用更短的跳线。

然后，有人可能会进入并解锁端口，但忘记将其封锁。最终留下一个潜在的系统访问点。

通过明确制定并严格执行结构化布线网络的运营和维护政策，可以避免这种拼凑问题。工厂还可以在运营阶段使用监控工具，以检测网络流量和物理基础设施的问题，例如交换机和服务器的状况，以及环境和安全控制。

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