工廠如何設計結構化布線？

在工廠中，與傳統的點對點方式相比，結構化布線系統的優勢與日俱增。

傳統的工業控制系統，其中許多是專有的，并且通常基于使用螺絲端子連接的點對點布線，已經被無處不在的以太網和IP技術所取代了。這種轉變引發了工廠車間數字設備的爆炸式增長，并增加了對高度結構化、基于標準的網絡基礎設施所提供的更高性能、帶寬和可靠性的需求。

更多的設備意味著更多的數據在現代網絡中以更高的速率傳輸。工業數據速率已從千比特/秒上升到兆比特/秒，在一些車間應用中甚至達到千兆位/秒。為了有效地以這些速率運行，確保工廠正常運行時間并降低成本，現代網絡需要一個精心設計和經過驗證的布線結構。

結構化布線系統還能夠隨著未來的發展而不斷發展。工業數據速率最終將達到并有可能超過IT領域已經常見的每秒10吉比特的水平。與此同時，工業流程和機器正在變得更加智能，采用先進的儀器儀表、傳感器和無線技術。

由于所有這些原因以及更多原因，結構化布線系統正在取代通常隨意且臨時的點對點方法。在結構化方案中，布線系統化地布置，并設法滿足當今和未來的所有工業通信需求，包括語音、數據和視頻。

要獲得結構化布線的全部優勢，需要采用同樣系統的方法來概念化、指定、安裝、測試和維護全廠網絡。

結構化布線的定義

結構化布線系統包括設施中的五個子系統:

分界點，電話或互聯網企業結束并連接到現場布線

設備室或電信機房，存放設備和整合點。

垂直或立管布線，連接設備間，通常在不同樓層之間

水平布線，通常在同一樓層，將設備房間連接到單獨的插座或工作區域

工作區域，用戶設備通過插座連接到水平布線系統。

每個子系統區域中的布線都遵循定義的形式，通常由設備線（設備端的跳線）、永久鏈接（固定的實心導體布線）和工作區線（即連接到工作站的跳線）組成。這種布置稱為通道。允許在通道中進行其他具有附加連接的配置。

永久鏈接是任何結構化布線系統的關鍵特征。例如，它從電信機房(TR)運行到分配點（例如插座或配線架）。該永久鏈接允許對從機器到更高級別網絡的上行鏈路進行測試，幫助確保連接和機器都能按需運行。同樣，在連接多個進程的環形網絡中，結構化的布線配置允許對每個鏈路進行測試。

將此方法與點對點布線系統方法進行對比，后者很少涉及測試。相反，當工廠人員需要添加另一臺機器或延長電纜的范圍時，可以簡單地使用跳線并將其插入開關面板。事實上，一些經驗豐富的控制工程師習慣于通過剝去電線上的護套，并在兩端連接一個連接器來創建自己的跳線。這些跳線的末端是插頭，而不是插孔。

對于較短的跳線長度，這種點對點的做法可能就足夠了。但如果跳線長度達到80或90米，這種“延長線”方法可能無法提供充分的性能。原因是：與結構化布線系統中使用的固體導體電纜相比，在點對點布線方法中普遍使用的雙絞線電纜具有更低的導電性，因此插入損耗更高。

在整個工廠中，點對點連接可能會導致網絡蔓延。在成百上千的非結構化的、非標準的和未識別的連接的包圍下，自動化和IT人員可能會忘記什么與什么連接。

IT團隊和自動化人員之間的協作是任何結構化布線項目成功的關鍵。IT人員非常熟悉企業級的結構化布線，而自動化人員最了解機器周圍的工廠環境。

但合作并不止于此。維護和運營人員以及外部專家可以在結構化網絡的實施和平穩運行中發揮重要作用。

遵循以下步驟來實施和維護最佳的結構化布線基礎設施:

1. 自學。熟悉電信行業協會(TIA)、IEC和ODVA等組織制定的標準和最佳實踐，這些組織提供有關機器級以太網/IP最佳實踐的信息。

網絡基礎設施中關鍵光纖和銅纜連接的常見最佳實踐包括:

終止水平布線以修補現場連接器以形成永久鏈接。

使用基于標準的測試和設備驗證性能。

如果跳線損壞或可疑，可以輕松更換。無需觸摸水平電纜。

通過支持人員可以輕松管理的、明確識別的、結構化連接來改進故障排除。

標準組織還建立了網絡運行因素的參數，例如錯誤率性能。如果錯誤率開始變得過高，就會減慢網絡速度，并可能導致鏈路故障。

充分利用公司的結構化布線設計指南，例如Rockwell自動化、Panduit和Cisco的光纖應用指南。這些指南詳細說明了如何為光纖和銅纜系統設計和部署結構化布線。還提供研討會和其他類型的結構化布線培訓。

2. 建立目標。評估當下需求，同時牢記未來。5年或10年后業務會發展到什么程度?如果想要達到每秒千兆位的設備數據速率，結構化布線可以提供最佳支持，并且可以進行測試以驗證是否滿足所需的性能水平。

通過結構化網絡，工業工廠變得更具可擴展性，特別是如果其在初始安裝時投資30%到40%的備用電纜。

3. 設計基礎設施并制定規范。許多基于標準的工具可幫助設計結構化布線網絡，包括Visio和CAD。此外，許多經驗豐富的第三方合格專家可以幫助工廠執行流程中的這一關鍵步驟。

制定規范文件，以建立結構化布線標準，以及特定操作所需的材料。健全的規范將簡化其余過程，包括安裝、測試、操作和維護。

規范將涵蓋如何實施工廠網絡以實現可靠性、安全性和物理方面的考慮。其中包括布線本身的完整性，因為不合格的布線可能會帶來嚴重后果。

IT和自動化人員應就規范文檔進行協作，以在整個設施中推動最佳實踐。規范通常詳細說明如何實施結構化布線以將企業級連接到配電區域，以及如何將布線引入流程和單個機器。

該文檔還允許指定所需帶寬性能的標準，因此可以保持當前的一致性并為未來做好準備。還可以指定定位測試補丁點的關鍵位置以及測試要求。

保護網絡免受環境影響是許多工廠的另一個關鍵考慮因素。如果存在電磁干擾(EMI)風險，那么可能需要屏蔽電纜或導管。TIA和IEC已經制定了與環境評估相關的標準，來幫助完成這一過程。

可能還需要制定物理識別策略，例如使用顏色編碼的電纜和插孔，以及標記端口。此類策略將有助于降低安裝風險，并且在未來很長一段時間內，因為人員將能夠清楚地了解各種布線應連接的位置。

規范還應包括任何必要的安全策略，包括可鎖定的外殼、端口封鎖和插頭鎖定，以限制訪問并幫助防止未經授權的連接或拆除跳線。

4. 安裝。由于安裝過程中包含許多細節，因此這是最有可能出錯的步驟。例如，想要支持每秒千兆位通信的工廠可以購買正確的6類布線，但必須正確安裝才能提供該速率。

確保安裝人員了解結構化布線的復雜性，諸如彎曲半徑和電纜扭曲、布線以及保護網絡免受噪聲源影響等詳細信息。可以利用第三方認證的安裝人員，或者通過參加可用的培訓課程來確保自己的安裝人員具備必要的專業知識。

市場上也有集成的標準化安裝工具和產品，有助于減少所需的培訓和專業知識。一個例子是使用所有最佳接線和布線實踐進行預接線的機柜。

保持設備整潔。布線長距離和短距離電纜時，應將電纜捆扎。這樣，可以輕松地對系統進行故障排除，進行必要的更改以適應生產需求，并對系統進行長期維護。確保使用基于標準的標簽方案。

5. 測試。這正是基于標準的結構化布線網絡真正發揮作用的地方。市場上有現成的測試設備，可幫助確保所獲得的性能，并且可以在未來很好地依靠。

如果不進行測試，將面臨啟動延遲、停機、回調制造商以及其他一系列代價高昂的巨大麻煩的風險。

但是，有了成功的測試結果來衡量性能基準，可以利用定期關閉或升級機會來重新測試和驗證網絡——自動化系統的支柱。

6. 操作和維護。雖然結構化布線網絡的設計和安裝通常由專業團隊（通常是第三方）進行，但該系統最終由工業自動化用戶負責。

為了避免系統的后續降級，必須繼續利用系統設計的功能和最佳實踐，否則就有失去對其控制的風險。

一個常見的問題是傳統的點對點做法的回歸。工廠車間的某個人可能會決定插入新電源線來解決問題或滿足臨時需求。但如果沒有正確捆綁或無法識別連接，可能會出現更多問題。最終，可能會留下多余的布線，因為工作人員使用了更長的跳線，而本應使用更短的跳線。

然后，有人可能會進入并解鎖端口，但忘記將其封鎖。最終留下一個潛在的系統訪問點。

通過明確制定并嚴格執行結構化布線網絡的運營和維護政策，可以避免這種拼湊問題。工廠還可以在運營階段使用監控工具，以檢測網絡流量和物理基礎設施的問題，例如交換機和服務器的狀況，以及環境和安全控制。