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以太網(wǎng)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 網(wǎng)絡(luò)中最受歡迎的有線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，擁有穩(wěn)健的性能和經(jīng)過驗(yàn)證的可靠性。此外，以太網(wǎng)供電 (PoE) 通過同一根以太網(wǎng)電纜向傳感器和 IIoT 端點(diǎn)提供電源，從而減少布線。以太網(wǎng)也已成為乘用車標(biāo)準(zhǔn)，已在許多情況下取代了控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 串行協(xié)議。由于以太網(wǎng)的可靠性和高數(shù)據(jù)速率，讓自動駕駛和高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 擁有了明顯的優(yōu)勢。
然而，在大型 IIoT 網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)電纜束可能變得如此之大、如此之重、如此之累贅，以至于電纜束可能成為拖累設(shè)備的障礙物，而需要另行加固。這種問題對汽車應(yīng)用的影響會特別嚴(yán)重，因?yàn)轭~外的重量和空間會降低容量和里程。在卡車、客運(yùn)和貨運(yùn)列車以及飛機(jī)等工業(yè)運(yùn)輸應(yīng)用中，可能會因?yàn)殡娎|的尺寸和重量過大而必須在系統(tǒng)設(shè)計中進(jìn)行補(bǔ)償，從而增加成本并延長安裝時間。
為此，各大制造商推出了也支持?jǐn)?shù)據(jù)線供電 (PoDL) 的單對以太網(wǎng) (SPE) 連接器和電纜。SPE 只通過一對雙絞線提供高速數(shù)據(jù)傳輸并提供電源。本文將詳細(xì)介紹 SPE 在工業(yè)和運(yùn)輸應(yīng)用中的優(yōu)勢。然后，討論 Phoenix Contact 的兩種 SPE 連接器，以及兩種適合 SPE 應(yīng)用的 SPE 電纜。
SPE 與傳統(tǒng)以太網(wǎng)之比較
以太網(wǎng)是商業(yè)和工業(yè)局域網(wǎng) (LAN) 中最流行的有線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。使用最廣泛使用的版本是 10/100Base-T 以太網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)使用兩對雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，而千兆位以太網(wǎng)則使用四對雙絞線。由于工業(yè)自動化系統(tǒng)需要更快的速度，現(xiàn)在越來越流行采用具有 PoE 功能的千兆位以太網(wǎng)來連接連接計算機(jī)和傳感器。通常情況下，雙絞線使用 24 AWG 銅線。這八根線通常被包裹在工業(yè)級 CAT5e 電纜內(nèi)，且覆蓋有泡沫膠帶和箔屏蔽層。在大型工業(yè)設(shè)施中，可以看到數(shù)百條這樣的電纜分布在建筑物各處。這些電纜束可能會變得很重，穿過地板時會絆倒經(jīng)過的人員，所以需要將其捆成線束，固定在墻壁和設(shè)備上。這些電纜束可能重達(dá) 50 磅 (lb) 或更多，如果不考慮到電纜帶來的額外重量，可能會拉傷或破壞電纜支撐系統(tǒng)，甚至使設(shè)備傾倒。
此外，傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜的長度限制為 100 m。對于較大型工業(yè)設(shè)施和樓宇自動化系統(tǒng)，有時必須使用中繼器來擴(kuò)大以太網(wǎng)電纜的覆蓋范圍，以便到達(dá)遠(yuǎn)程傳感器。這樣，在增加系統(tǒng)復(fù)雜性同時，還會引入另一個需要維護(hù)的點(diǎn)。由于鋪設(shè)這些厚重的電纜會增加時間和費(fèi)用，顯然需要一種更好的布線方法取而代之。
SPE 使用一根雙絞線提供雙向數(shù)據(jù)創(chuàng)術(shù)并提供電源。這種電纜長達(dá) 1000 m，在不使用中繼器的情況下延長了聯(lián)網(wǎng)傳感器的覆蓋范圍。這樣會大大降低重量，并通過簡化布局簡化安裝。與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，可實(shí)現(xiàn)極高的電源效率，且所需面積更小，安裝、維護(hù)成本更低。雖然工業(yè)系統(tǒng)可以使用屏蔽護(hù)套來防止電纜束相互干擾，但也支持使用輕型非屏蔽電纜。這在汽車應(yīng)用中是一個優(yōu)勢，使得輕型電纜在空間有限的地方布線變得更容易，如座椅和腳踏板下方。SPE 的電纜更小、更輕，而且通過單根高性價比絞線對實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)傳輸速率傳輸和供電能力。SPE 憑借這些優(yōu)勢有望成為一種流行的、甚至是主導(dǎo)市場的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。
SPE 基礎(chǔ)知識
IEEE 關(guān)于 10 兆比特每秒 (Mbit/s) SPE 的正式規(guī)范是 802.3cg。該標(biāo)準(zhǔn)支持全雙工數(shù)據(jù)通信，最長可達(dá) 1000 m。
IEEE 802.3bw支持全雙工數(shù)據(jù)通信，最高數(shù)據(jù)速率可達(dá) 100Mbits/s，電纜最長可達(dá) 50米。該標(biāo)準(zhǔn)針對工業(yè)應(yīng)用和一些汽車應(yīng)用中的高速傳感器。
IEEE 802.3bp 支持全雙工數(shù)據(jù)通信，速度高達(dá) 1000Mbits/s，電纜長度可達(dá) 15 m。在這種電纜長度下，該標(biāo)準(zhǔn)適用于一些工業(yè)傳感器應(yīng)用，尤其適用于高清視頻以及小型飛機(jī)和商業(yè)汽車應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，高速傳感器數(shù)據(jù)必須在相對較短的距離內(nèi)傳輸。
目前，IEEE 802.3ch 支持 10 千兆比特每秒 (Gbps) 傳輸速率，電纜長度可達(dá) 15 m。該標(biāo)準(zhǔn)與 802.3bp 類似，但包括物理層 (PHY)。這主要是針對商業(yè)汽車和工業(yè)運(yùn)輸應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，高數(shù)據(jù)率、較小的電纜直徑，特別是較小的重量是非常重要的系統(tǒng)設(shè)計考慮因素。
帶有 PoDL 的 SPE 通過同一雙絞線向以太網(wǎng)傳感器或端點(diǎn)提供電源，輸送的電源功率由電纜的長度和線規(guī)決定。在使用 14 AWG 電線的最大長度為 1000 m 時，IEEE 規(guī)范允許端點(diǎn)電壓為 60 V，功率 13.53 W。
工業(yè)級 SPE 硬件
工業(yè) SPE 連接不使用 RJ45 連接器，而是使用新的 IEC 63171 T1 連接器標(biāo)準(zhǔn)。Phoenix Contact 提供一系列針對工業(yè)應(yīng)用的 SPE 連接器和電纜。
對于需要 IP67 耐用性能的工業(yè) SPE 應(yīng)用，Phoenix Contact 提供一個真正的 M8 連接器——使用 1163793 SPE M8-2 插件和 1412502 M8 外殼（圖 1）。外殼和插件組件的組合提供 IP67 保護(hù)，適合惡劣的工業(yè)環(huán)境。輕型組件也適用于航空和運(yùn)輸系統(tǒng)。
圖 1：Phoenix Contact 1163793 M8-2 插件（左）和 1412502 M8 外殼（右）組裝后可提供一種真正的具有 IP67 級性能的 SPE M8 解決方案。（圖片來源：Phoenix Contact）
該連接器組件可在 4 A 時提供高達(dá) 72 V 的 PoDL，其額定溫度范圍為 -40°C 至 +85°C，因此適合在戶外環(huán)境中為 IIoT 端點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)供電。采用流行的 M8 連接器形式，系統(tǒng)制造商能夠很容易地將現(xiàn)有的帶有 M8 連接器的傳感器和設(shè)備改裝成 SPE。SPE 連接器組件使用標(biāo)準(zhǔn)的 SPE M8-2 連接器模式，帶有 D 編碼，以確保只有 SPE 電纜插入連接器組件。
企業(yè)級 SPE 硬件
SPE 也適用于包括辦公環(huán)境內(nèi)內(nèi)的企業(yè)系統(tǒng)，因?yàn)橹亓扛p、直徑更小的電纜更容易制造和布線。IP67 工業(yè)應(yīng)用可以使用相同的 SPE 網(wǎng)絡(luò)與這些企業(yè)系統(tǒng)輕松進(jìn)行交互。對于通常需要 IP20 保護(hù)的企業(yè)應(yīng)用，Phoenix Contact 的 1163797 SPE 模塊插座是一種非常合適的解決方案。這是一種采用通孔焊的 IEC 63171 插座，帶有一個鎖定夾，以確保電纜連接牢固（圖 2）。
圖 2：Phoenix Contact 的 1163797 模塊化 SPE 插孔與所有的現(xiàn)行 SPE 標(biāo)準(zhǔn)兼容。其額定供電電壓為 72 V，電流為 4 A。（圖片來源：Phoenix Contact）
M8-2 插件采用鍵控結(jié)構(gòu)，可防止誤連接。該插孔含兩個鍍金銅合金插頭，可將接觸電阻保持在最低水平，使其能夠在 4 A 時提供高達(dá) 70 V 的 PoDL。M8 采用黃銅表面鍍鎳外殼，以提高耐腐蝕性。
1163797 支持目前所有的 802.3cg/bu/bw/bp SPE 連接器規(guī)范。該器件可以耐受惡劣的環(huán)境，規(guī)定的插入和拔出次數(shù) 750 次，防護(hù)等級為 IP20，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃，尺寸為 5 x 8.35 x 14.2 mm。這使得該器件適合于在單板計算機(jī) (SBC) 以及可編程邏輯控制器 (PLC) 上進(jìn)行焊接安裝，因?yàn)檫@些設(shè)備上的電纜偶爾會被替換。這些經(jīng)驗(yàn)證是有用的場景示例包括了可能需要為不同產(chǎn)品組件重新配置的制造設(shè)施。
用于 IIoT 的 SPE 電纜
對于短的 SPE 連接，Phoenix Contact 提供 1183808 2 m SPE 電纜。這種電纜支持 PoDL，電壓高達(dá) 72 V，電流 4A，并且每個電纜端接部分都有兩個 SPE 插座（圖 3）。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在電纜末端有插孔，在端點(diǎn)有插座，而 SPE 硬件則相反。
電纜護(hù)套由聚氨酯制成，可抵抗紫外線 (UV)、耐磨損和耐受大多數(shù)溶劑。聚氨酯電纜還能抵抗因暴露在陽光和水下環(huán)境而引起的收縮和裂紋，以及工業(yè)環(huán)境中常見的濫用情況。為防止電磁干擾，這種電纜采用鍍錫銅編織屏蔽層保護(hù)，且屏蔽層由具有塑料涂層的鋁箔層包裹。因此，這種電纜適用于電噪聲環(huán)境，尤其適合與其他高速電纜捆綁在一起的情況。
圖 3：Phoenix Contact 的 1183808 SPE 電纜長 2 m，采用聚氨酯保護(hù)套。這種電纜能夠屏蔽 EMI，并支持高達(dá) 1000Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。（圖片來源：Phoenix Contact）
電纜插座采用銅合金觸頭，支持符合 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的 10 Mb/s 數(shù)據(jù)傳輸速率以及 100 Mb/s 802.3bw 傳輸速度。最高傳輸速率為 802.3bp 1000 Mb/s，這不僅適合于傳感器，也適合于高清 (HD) 視頻監(jiān)控設(shè)備。
雖然電纜護(hù)套不受水和灰塵的影響并具有 UL94V0 的阻燃性能，但鑒于電纜終端連接器，該電纜組件的防護(hù)等級為 IP20。每個連接器都有一個鎖扣，可以將電纜安全地連接到插孔端點(diǎn)。這種鎖定機(jī)構(gòu)是 SPE 連接器標(biāo)準(zhǔn)的一部分，可防止在繁忙的環(huán)境中被意外拆除。該電纜的額定工作溫度為 -40°C 至 +85°C，插拔次數(shù)高達(dá) 750 次。該產(chǎn)品適合在室內(nèi)使用接插板，以及 IIoT 傳感器和 SPE 接線盒之間的連接。
對于需要更長電纜的應(yīng)用，Phoenix Contact 提供 1183811 5 m SPE 電纜，其規(guī)格與 1183808 相同。
結(jié)語
在 IIoT、汽車和企業(yè)等應(yīng)用中轉(zhuǎn)而采用 SPE，有助于設(shè)計者既能滿足對更輕、更小、更易用的高速連接解決方案的需求，又能降低成本。然而，設(shè)計者在部署基于 SPE 的網(wǎng)絡(luò)時，必須謹(jǐn)慎選擇他們要使用的連接器和電纜，以確保在惡劣的周圍環(huán)境和電氣噪聲中的實(shí)現(xiàn)可靠連接。
如圖所示，通過各種版本的連接器，IP20 級企業(yè)系統(tǒng)可以使用真正的 M8 SPE 連接器與 IP67 工業(yè)控制系統(tǒng)輕松互連，從而在這兩種環(huán)境中提供無縫連接和電源傳輸。有了 PoDL 附加功能，SPE 連接使得在企業(yè)和工業(yè)環(huán)境中向 IIoT 端點(diǎn)提供電源和數(shù)據(jù)變得輕而易舉，而無需額外布線，從而能大大簡化并精簡部署工作。
審核編輯：符乾江
工商網(wǎng)監(jiān)
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