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來(lái)源：貿澤電子 作者：Verena Neuhaus 單對以太網(wǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)SPE）是目前工業(yè)數據傳輸的一大趨勢。想要了解將數據布線(xiàn)減少到單線(xiàn)對的應用場(chǎng)合及其優(yōu)勢，我們需要先來(lái)了解一下以太網(wǎng)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展史。 以太網(wǎng)是在20世紀70年代作為一種非標準化的軟件協(xié)議開(kāi)發(fā)出來(lái)的，用于在有線(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò )（LAN或局域網(wǎng)）中進(jìn)行內部和本地有限的數據包傳輸。在接下來(lái)的二十年里，電氣電子工程師學(xué)會(huì ) (IEEE) 定義了軟件協(xié)議和物理層（包括連接器和電纜等物理接口），并通過(guò)引入802.4 （令牌總線(xiàn)）、802.5（令牌環(huán)）以及802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (WLAN) 等各種協(xié)議，為現代互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎。 通用語(yǔ)言 到了20世紀80年代，電氣自動(dòng)化技術(shù)的推廣推動(dòng)了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的逐步發(fā)展，并隨之出現了各種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。所有通信技術(shù)的基本思路是相同的，即不同的通信對象應該使用一個(gè)公共系統以有序的方式相互通信。然而，各種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議（如Interbus、DeviceNet 和 Profibus）并非用于公司層面的計算機聯(lián)網(wǎng)，而是用于控制和管理傳感器與執行器的串行或并行連接。 最終，兩種傳輸協(xié)議的并行發(fā)展形成了時(shí)至今日仍然有效的自動(dòng)化金字塔。最高層代表本地有限的計算機網(wǎng)絡(luò )，用于粗略和詳細的生產(chǎn)計劃。較低的層級包括用于記錄、控制和調節物理生產(chǎn)過(guò)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(dòng)化金字塔結構（圖源：Phoenix Contact） 金字塔主要由來(lái)自不同層次的等級邏輯排列組合而成。然而，它也代表了以前有效的工業(yè)數據傳輸框架條件：通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現高傳輸速率和短距離傳輸，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現低傳輸速率和長(cháng)距離傳輸。 顛覆金字塔 我們?yōu)槭裁匆攘私膺@段發(fā)展史呢？ 因為工業(yè)以太網(wǎng)，特別是單對以太網(wǎng) (SPE)，正在顛覆傳統的自動(dòng)化金字塔。隨著(zhù)基于以太網(wǎng)的協(xié)議（如EtherNet/IP、Profinet或EtherCAT）的發(fā)展， 引入了從管理層到現場(chǎng)層的實(shí)時(shí)數據傳輸。 在數據傳輸過(guò)程中需防止灰塵、振動(dòng)和電磁輻射等干擾，而功能更強大、電氣性能更復雜的物理接口成為了理想選擇。為此，連接技術(shù)制造商開(kāi)發(fā)了特殊的IP6x防護等級以太網(wǎng)接口，以滿(mǎn)足更高的現場(chǎng)層要求。對于自動(dòng)化金字塔頂端的企業(yè)和運營(yíng)層，IP20解決方案就可以滿(mǎn)足要求。 數據傳輸新時(shí)代 到目前為止，我們所說(shuō)的標準化操作僅指提高數據傳輸速率和布線(xiàn)技術(shù)，而這些要求由銅纜布線(xiàn)類(lèi)別中更高的性能等級來(lái)定義。 單對以太網(wǎng)并非旨在定義更高的傳輸速率或更遠的距離；而在于形成標準化框架，減少應用的布線(xiàn)工作量。IEC 63171-2 (IP20) 和IEC 63171-5 (IP67) 標準適用于10Mbps至100Mbps的較低傳輸速率，通過(guò)一對電纜即可實(shí)現長(cháng)達1000米的傳輸距離（圖2）。SPE實(shí)現了傳統以太網(wǎng)之前無(wú)法企及的應用領(lǐng)域和應用，例如加工工藝技術(shù)。這對工廠(chǎng)操作員來(lái)說(shuō)是一大優(yōu)勢，他們可根據以太網(wǎng)協(xié)議繼續進(jìn)行數據布線(xiàn)，例如將同一接口和插針連接器模式用于不同的環(huán)境下。
圖2: 標準化 - 現場(chǎng)級和數據中心的數據傳輸速率相繼標準化 （圖源：Phoenix Contact） 另一優(yōu)勢是單對接口比兩對或四對設備和電纜接口要緊湊得多。因此，SPE的采用讓緊湊型分散設備成為了工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程技術(shù)、樓宇自動(dòng)化以及電信和基礎設施應用的未來(lái)發(fā)展方向，逐步發(fā)展成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的 DNA。 新的引腳連接方式，眾所周知的可靠性 為確保所有接口的一致兼容性，IEEE成立了工作組，對傳輸速率為10Mbps、100Mbps、1000Mbps的應用進(jìn)行規范描述，并制定了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(dòng)力。作為連接技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家，Phoenix Contact與市場(chǎng)合作伙伴Reichle & De-Massari和Weidmüller一起，針對單對和四對電纜開(kāi)發(fā)了受保護和未受保護的引腳連接方式。MICE模型描述了它們的機械強度（M1或M2/3）、IP防護等級（I1或I2/3）、耐化學(xué)性和耐氣候性（C1或C2/3）以及電磁安全性（E1或E2/3）。 緊湊的引腳連接方式非常適合各種通信對象的高效布線(xiàn)——通過(guò)單線(xiàn)對或四線(xiàn)對讓四個(gè)對象共享一條公共線(xiàn)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(xiàn)概念以及IP20和IP6x解決方案。在應用時(shí)，可將八線(xiàn)布線(xiàn)概念拆分為四個(gè)單獨的SPE，用于四個(gè)不同的通信對象，或者在八線(xiàn)設備接口中確定各個(gè)線(xiàn)對的尺寸。雙線(xiàn)技術(shù)允許通過(guò)同一對線(xiàn)纜（數據線(xiàn)供電或PoDL）為終端設備提供輸出功率高達60W的應用特定電壓。
圖3：高效布線(xiàn) - 單對和四對MICE接口用于布線(xiàn)IP20和IP6x應用 （圖源：貿澤電子） 通信技術(shù)的未來(lái) SPE不能被視為獨立于其他標準化操作的工業(yè)數據傳輸大趨勢。各種委員會(huì )和標準化項目正在構建未來(lái)工業(yè)通信技術(shù)的基本框架。開(kāi)放平臺通信統一架構 (OPC UA)、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò ) (TSN) 和5G等新通信標準，構成了從傳感器到機器及更高級別系統乃至云端的連續網(wǎng)絡(luò )通信基礎。 新標準將在成本、數據吞吐量、延遲和確定性方面優(yōu)于現有協(xié)議和接口。Phoenix Contact活躍于所有相關(guān)的標準化委員會(huì )，在工業(yè)通信領(lǐng)域擁有超過(guò)30年的經(jīng)驗，其目標是建立一個(gè)獨立于制造商的全新自動(dòng)化通信標準。 如今，OPC UA已成為面向工廠(chǎng)的疊加通信標準。OPC UA正在通過(guò)現場(chǎng)標準化應用配置文件進(jìn)行擴展，以用于 I/O、安全或驅動(dòng)應用，并且還為網(wǎng)絡(luò )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(shù) (OT) - 新的通信標準構成了從傳感器到機器及更高級別系統乃至云端的集成網(wǎng)絡(luò )基礎 （圖源：Phoenix Contact） 結語(yǔ) 單對以太網(wǎng) (SPE) 將企業(yè)和操作層的IP20接口與控制和現場(chǎng)層的IP6x接口連接起來(lái)，從而開(kāi)辟了新的應用領(lǐng)域。其目標是所有通信對象基于相同的協(xié)議語(yǔ)言和統一的接口實(shí)現無(wú)縫連接。由于僅使用一對或四對單獨的線(xiàn)纜減少了布線(xiàn)，用戶(hù)可以構建從傳感器到控制和公司層一直到云端的高效網(wǎng)絡(luò )和布線(xiàn)結構。除了高達1000Mbps的數據速率外，SPE布線(xiàn)還能為終端設備提供高達60W的功率。 |
