單對以太網如何成為 IIoT 的 DNA

單對以太網（簡稱 SPE）是目前工業數據傳輸的大趨勢之一。如果您想了解將數據布線減少到單線對的應用和優勢，您必須了解以太網和工業自動化的歷史。

作為一種非標準化的軟件協議，以太網是在 20 世紀 70 年代開發的，用于在有線計算機網絡（LAN 或局域網）中進行內部和本地有限的數據包傳輸。在接下來的二十年里，電氣和電子工程師協會 (IEEE) 定義了軟件協議和物理層——包括連接器和電纜等物理接口，并通過引入 802.4 等各種協議為現代互聯網奠定了基礎（令牌總線）、802.5（令牌環），最后是 802.11 無線局域網 (WLAN)。

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與此同時，電氣自動化技術的使用增加推動了 20 世紀 80 年代現場總線技術的發展?；舅枷胧窍嗤模翰煌?a href="http://www.qd573.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信參與者應該使用一個公共系統以有序的方式相互通信。然而，各種現場總線協議，如 Interbus、DeviceNet 和 Profibus，并未用于公司層面的計算機聯網，而是將傳感器和執行器串聯或并聯連接到控制和管理層面。

最終，兩種傳輸協議的并行發展建立了今天仍然有效的自動化金字塔形式。最高級別代表本地有限的計算機網絡，用于粗略和詳細的生產計劃。較低級別包括用于記錄、控制和調節物理生產過程的信號、數據和電力傳輸（圖 1）。

圖 1：范式轉變：SPE 顛覆了傳統的自動化金字塔。（來源：菲尼克斯電氣）

金字塔的形狀主要來自不同層次的等級邏輯排列。然而，它也代表了以前有效的工業數據傳輸框架條件：通過以太網實現高傳輸速率和短距離傳輸，通過現場總線實現低傳輸速率和長距離傳輸。

天翻地覆

那么為什么要離題呢？工業以太網，尤其是單對以太網 (SPE) 正在顛覆這個自動化金字塔。隨著基于以太網的協議（例如 EtherNet/IP、Profinet 或 EtherCAT）的發展，引入了從公司層到現場層的實時數據傳輸。

物理接口在電氣方面變得更強大、更復雜，因為必須保護數據傳輸免受干擾，例如污垢、振動和電磁輻射。因此，連接技術制造商開發了特殊的 IP6x 保護以太網接口，以滿足這些在現場級增加的要求。在企業和運營層面，IP20 解決方案對于自動化金字塔的頂端仍然足夠。

二次方數據傳輸

到目前為止，標準化工作僅限于更高的數據速率和對布線技術的更高要求。這些要求由銅基布線類別中越來越高的性能等級定義。

單對以太網不再定義更高的帶寬或傳輸距離，而是形成了減少布線以適應應用的規范框架。IEC 63171-2 (IP20) 和 IEC 63171-5 (IP67) 標準側重于 10Mbps 至 100Mbps 的較低傳輸速率。僅需一對線的數據布線可實現長達 1000 米的傳輸距離（圖 2）。因此，SPE 首次允許傳統以太網不允許的應用領域和應用，例如過程中技術。對工廠運營商的好處：數據布線可以基于以太網協議連續進行，例如相同的接口，針式連接器模式可以在不同的環境中使用。

圖 2：標準化：現場級和數據中心的數據傳輸速率相繼標準化。（來源：菲尼克斯電氣）

另一個優點是單對接口比兩對或四對設備和電纜連接器要緊湊得多。因此，SPE 支持工業自動化、過程技術、樓宇自動化以及電信和基礎設施應用中緊湊、分散設備的持續趨勢。因此，SPE 可以將應用中立轉變為工業物聯網 (IIoT) 的 DNA。

新的 Pin 連接器模式，眾所周知的可靠性

為確保所有接口的一致性兼容性，IEEE成立了工作組，對傳輸速率為10Mbps、100Mbps、1000Mbps的不同應用進行規范描述。已采用 10-Base-T1、100-Base-T1 和 1000-Base-T1 標準。

Phoenix Contact是相應接口標準化背后的主要推動力。與市場合作伙伴 Reichle & De-Massari 和 Weidmüller 一起，這家連接技術專家為單對和四對電纜開發了受保護和未受保護的插針連接器模式。MICE 模型描述了它們的機械強度（M1 或 M2/3）、IP 保護（I1 或 I2/3）、耐化學性和耐氣候性（C1 或 C2/3）以及電磁安全性（E1 或 E2/3）。

緊湊的針腳連接器模式非常適合眾多通信參與者的高效布線——通過單線對或四線對讓四個參與者共享一條公共線路和接口（圖 3）。由于采用通用接口，可以混合使用單對和四對布線概念以及 IP20 和 IP6x 解決方案?？赡艿膽檬菍司€布線概念拆分為四個單獨的 SPE 串，用于四個不同的通信參與者，或者在八線設備接口中確定各個線對的尺寸。雙線技術允許通過同一對電線（數據線供電或 PoDL）為輸出功率高達 60 瓦的終端設備提供特定應用電源。

圖 3：高效布線：單對和四對 MICE 接口用于布線 IP20 和 IP6x 應用。（來源：貿澤電子）

通信技術的未來

SPE 不能被視為獨立于其他標準化工作的工業數據傳輸的大趨勢。各種委員會和項目正在并行創建工業通信技術未來的基本框架。開放平臺通信統一架構 (OPC UA)、時間敏感網絡 (TSN) 和 5G 等新通信標準構成了從傳感器通過機器和更高級別系統進入云的連續聯網的基礎。

新標準將在成本、數據吞吐量、延遲和確定性方面優于現有協議和接口。Phoenix Contact 活躍于所有相關的標準化委員會，在工業通信領域擁有超過 30 年的經驗。目標：不亞于一個新的、獨立于制造商的自動化通信標準。

如今，OPC UA 已成為工廠中的疊加通信標準。OPC UA 現在正在通過現場標準化應用配置文件進行擴展——用于 I/O、安全或驅動應用。此外，還為網絡設備的統一配置和診斷定義了標準化設備模型（圖 4）。

圖 4：信息 (IT) 和操作技術 (OT)：新的通信標準構成了從傳感器到機器以及更高級別系統到云的集成網絡的基礎。（來源：菲尼克斯電氣）

概括

單對以太網 (SPE) 將企業級和操作級的 IP20 世界與控制級和現場級的 IP6x 世界連接起來，從而開辟了新的應用領域。目標是所有通信參與者基于相同的協議語言和統一的接口無縫連接。由于僅使用一對或四對單獨的線對減少了布線，用戶可以構建從傳感器到控制和公司級別一直到云端的高效網絡和布線結構。除了高達 1000Mbps 的數據速率外，SPE 布線還允許為終端設備提供高達 60W 的功率。

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