單對(duì)以太網(wǎng)如何成為 IIoT 的 DNA

單對(duì)以太網(wǎng)（簡稱 SPE）是目前工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇筅厔葜?。如果您想了解將?shù)據(jù)布線減少到單線對(duì)的應(yīng)用和優(yōu)勢，您必須了解以太網(wǎng)和工業(yè)自動(dòng)化的歷史。

作為一種非標(biāo)準(zhǔn)化的軟件協(xié)議，以太網(wǎng)是在 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)的，用于在有線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（LAN 或局域網(wǎng)）中進(jìn)行內(nèi)部和本地有限的數(shù)據(jù)包傳輸。在接下來的二十年里，電氣和電子工程師協(xié)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，并通過引入 802.4 等各種協(xié)議為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)（令牌總線）、802.5（令牌環(huán)），最后是 802.11 無線局域網(wǎng) (WLAN)。

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與此同時(shí)，電氣自動(dòng)化技術(shù)的使用增加推動(dòng)了 20 世紀(jì) 80 年代現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展?；舅枷胧窍嗤模翰煌?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信參與者應(yīng)該使用一個(gè)公共系統(tǒng)以有序的方式相互通信。然而，各種現(xiàn)場總線協(xié)議，如 Interbus、DeviceNet 和 Profibus，并未用于公司層面的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，而是將傳感器和執(zhí)行器串聯(lián)或并聯(lián)連接到控制和管理層面。

最終，兩種傳輸協(xié)議的并行發(fā)展建立了今天仍然有效的自動(dòng)化金字塔形式。最高級(jí)別代表本地有限的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，用于粗略和詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃。較低級(jí)別包括用于記錄、控制和調(diào)節(jié)物理生產(chǎn)過程的信號(hào)、數(shù)據(jù)和電力傳輸（圖 1）。

圖 1：范式轉(zhuǎn)變：SPE 顛覆了傳統(tǒng)的自動(dòng)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(jí)邏輯排列。然而，它也代表了以前有效的工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸框架條件：通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高傳輸速率和短距離傳輸，通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)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(yè)以太網(wǎng)，尤其是單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 正在顛覆這個(gè)自動(dòng)化金字塔。隨著基于以太網(wǎng)的協(xié)議（例如 EtherNet/IP、Profinet 或 EtherCAT）的發(fā)展，引入了從公司層到現(xiàn)場層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

物理接口在電氣方面變得更強(qiáng)大、更復(fù)雜，因?yàn)楸仨毐Ｗo(hù)數(shù)據(jù)傳輸免受干擾，例如污垢、振動(dòng)和電磁輻射。因此，連接技術(shù)制造商開發(fā)了特殊的 IP6x 保護(hù)以太網(wǎng)接口，以滿足這些在現(xiàn)場級(jí)增加的要求。在企業(yè)和運(yùn)營層面，IP20 解決方案對(duì)于自動(dòng)化金字塔的頂端仍然足夠。

二次方數(shù)據(jù)傳輸

到目前為止，標(biāo)準(zhǔn)化工作僅限于更高的數(shù)據(jù)速率和對(duì)布線技術(shù)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(jí)定義。

單對(duì)以太網(wǎng)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(yīng)應(yīng)用的規(guī)范框架。IEC 63171-2 (IP20) 和 IEC 63171-5 (IP67) 標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于 10Mbps 至 100Mbps 的較低傳輸速率。僅需一對(duì)線的數(shù)據(jù)布線可實(shí)現(xiàn)長達(dá) 1000 米的傳輸距離（圖 2）。因此，SPE 首次允許傳統(tǒng)以太網(wǎng)不允許的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用，例如過程中技術(shù)。對(duì)工廠運(yùn)營商的好處：數(shù)據(jù)布線可以基于以太網(wǎng)協(xié)議連續(xù)進(jìn)行，例如相同的接口，針式連接器模式可以在不同的環(huán)境中使用。

圖 2：標(biāo)準(zhǔn)化：現(xiàn)場級(jí)和數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸速率相繼標(biāo)準(zhǔn)化。（來源：菲尼克斯電氣）

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是單對(duì)接口比兩對(duì)或四對(duì)設(shè)備和電纜連接器要緊湊得多。因此，SPE 支持工業(yè)自動(dòng)化、過程技術(shù)、樓宇自動(dòng)化以及電信和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中緊湊、分散設(shè)備的持續(xù)趨勢。因此，SPE 可以將應(yīng)用中立轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng) (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(duì)傳輸速率為10Mbps、100Mbps、1000Mbps的不同應(yīng)用進(jìn)行規(guī)范描述。已采用 10-Base-T1、100-Base-T1 和 1000-Base-T1 標(biāo)準(zhǔn)。

Phoenix Contact是相應(yīng)接口標(biāo)準(zhǔn)化背后的主要推動(dòng)力。與市場合作伙伴 Reichle & De-Massari 和 Weidmüller 一起，這家連接技術(shù)專家為單對(duì)和四對(duì)電纜開發(fā)了受保護(hù)和未受保護(hù)的插針連接器模式。MICE 模型描述了它們的機(jī)械強(qiáng)度（M1 或 M2/3）、IP 保護(hù)（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(duì)或四線對(duì)讓四個(gè)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(duì)和四對(duì)布線概念以及 IP20 和 IP6x 解決方案?？赡艿膽?yīng)用是將八線布線概念拆分為四個(gè)單獨(dú)的 SPE 串，用于四個(gè)不同的通信參與者，或者在八線設(shè)備接口中確定各個(gè)線對(duì)的尺寸。雙線技術(shù)允許通過同一對(duì)電線（數(shù)據(jù)線供電或 PoDL）為輸出功率高達(dá) 60 瓦的終端設(shè)備提供特定應(yīng)用電源。

圖 3：高效布線：單對(duì)和四對(duì) MICE 接口用于布線 IP20 和 IP6x 應(yīng)用。（來源：貿(mào)澤電子）

通信技術(shù)的未來

SPE 不能被視為獨(dú)立于其他標(biāo)準(zhǔn)化工作的工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇筅厔?。各種委員會(huì)和項(xiàng)目正在并行創(chuàng)建工業(yè)通信技術(shù)未來的基本框架。開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu) (OPC UA)、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 和 5G 等新通信標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了從傳感器通過機(jī)器和更高級(jí)別系統(tǒng)進(jìn)入云的連續(xù)聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

新標(biāo)準(zhǔn)將在成本、數(shù)據(jù)吞吐量、延遲和確定性方面優(yōu)于現(xiàn)有協(xié)議和接口。Phoenix Contact 活躍于所有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，在工業(yè)通信領(lǐng)域擁有超過 30 年的經(jīng)驗(yàn)。目標(biāo)：不亞于一個(gè)新的、獨(dú)立于制造商的自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)。

如今，OPC UA 已成為工廠中的疊加通信標(biāo)準(zhǔn)。OPC UA 現(xiàn)在正在通過現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用配置文件進(jìn)行擴(kuò)展——用于 I/O、安全或驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。此外，還為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一配置和診斷定義了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備模型（圖 4）。

圖 4：信息 (IT) 和操作技術(shù) (OT)：新的通信標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了從傳感器到機(jī)器以及更高級(jí)別系統(tǒng)到云的集成網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。（來源：菲尼克斯電氣）

概括

單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 將企業(yè)級(jí)和操作級(jí)的 IP20 世界與控制級(jí)和現(xiàn)場級(jí)的 IP6x 世界連接起來，從而開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。目標(biāo)是所有通信參與者基于相同的協(xié)議語言和統(tǒng)一的接口無縫連接。由于僅使用一對(duì)或四對(duì)單獨(dú)的線對(duì)減少了布線，用戶可以構(gòu)建從傳感器到控制和公司級(jí)別一直到云端的高效網(wǎng)絡(luò)和布線結(jié)構(gòu)。除了高達(dá) 1000Mbps 的數(shù)據(jù)速率外，SPE 布線還允許為終端設(shè)備提供高達(dá) 60W 的功率。

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