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來源：貿(mào)澤電子 作者：Verena Neuhaus 單對以太網(wǎng)（簡稱SPE）是目前工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊淮筅厔荨Ｏ胍私鈱?shù)據(jù)布線減少到單線對的應(yīng)用場合及其優(yōu)勢，我們需要先來了解一下以太網(wǎng)和工業(yè)自動化的發(fā)展史。 以太網(wǎng)是在20世紀(jì)70年代作為一種非標(biāo)準(zhǔn)化的軟件協(xié)議開發(fā)出來的，用于在有線計算機網(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，電氣電子工程師學(xué)會 (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 （令牌總線）、802.5（令牌環(huán)）以及802.11無線局域網(wǎng) (WLAN) 等各種協(xié)議，為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。 通用語言 到了20世紀(jì)80年代，電氣自動化技術(shù)的推廣推動了現(xiàn)場總線技術(shù)的逐步發(fā)展，并隨之出現(xiàn)了各種現(xiàn)場總線協(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(yīng)該使用一個公共系統(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(zhí)行器的串行或并行連接。 最終，兩種傳輸協(xié)議的并行發(fā)展形成了時至今日仍然有效的自動化金字塔。最高層代表本地有限的計算機網(wǎng)絡(luò)，用于粗略和詳細(xì)的生產(chǎn)計劃。較低的層級包括用于記錄、控制和調(diào)節(jié)物理生產(chǎn)過程的信號、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)的自動化金字塔結(jié)構(gòu)（圖源：Phoenix Contact） 金字塔主要由來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(shù)據(jù)傳輸框架條件：通過以太網(wǎng)實現(xiàn)高傳輸速率和短距離傳輸，通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)低傳輸速率和長距離傳輸。 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(tǒng)的自動化金字塔。隨著基于以太網(wǎng)的協(xié)議（如EtherNet/IP、Profinet或EtherCAT）的發(fā)展， 引入了從管理層到現(xiàn)場層的實時數(shù)據(jù)傳輸。 在數(shù)據(jù)傳輸過程中需防止灰塵、振動和電磁輻射等干擾，而功能更強大、電氣性能更復(fù)雜的物理接口成為了理想選擇。為此，連接技術(shù)制造商開發(fā)了特殊的IP6x防護(hù)等級以太網(wǎng)接口，以滿足更高的現(xiàn)場層要求。對于自動化金字塔頂端的企業(yè)和運營層，IP20解決方案就可以滿足要求。 數(shù)據(jù)傳輸新時代 到目前為止，我們所說的標(biāo)準(zhǔn)化操作僅指提高數(shù)據(jù)傳輸速率和布線技術(shù)，而這些要求由銅纜布線類別中更高的性能等級來定義。 單對以太網(wǎng)并非旨在定義更高的傳輸速率或更遠(yuǎn)的距離；而在于形成標(biāo)準(zhǔn)化框架，減少應(yīng)用的布線工作量。IEC 63171-2 (IP20) 和IEC 63171-5 (IP67) 標(biāo)準(zhǔn)適用于10Mbps至100Mbps的較低傳輸速率，通過一對電纜即可實現(xiàn)長達(dá)1000米的傳輸距離（圖2）。SPE實現(xiàn)了傳統(tǒng)以太網(wǎng)之前無法企及的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用，例如加工工藝技術(shù)。這對工廠操作員來說是一大優(yōu)勢，他們可根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)布線，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(biāo)準(zhǔn)化 - 現(xiàn)場級和數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸速率相繼標(biāo)準(zhǔn)化 （圖源：Phoenix Contact） 另一優(yōu)勢是單對接口比兩對或四對設(shè)備和電纜接口要緊湊得多。因此，SPE的采用讓緊湊型分散設(shè)備成為了工業(yè)自動化、過程技術(shù)、樓宇自動化以及電信和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的未來發(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(yīng)用進(jìn)行規(guī)范描述，并制定了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)化背后的主要推動力。作為連接技術(shù)領(lǐng)域的專家，Phoenix Contact與市場合作伙伴Reichle & De-Massari和Weidmüller一起，針對單對和四對電纜開發(fā)了受保護(hù)和未受保護(hù)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(hù)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——通過單線對或四線對讓四個對象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。在應(yīng)用時，可將八線布線概念拆分為四個單獨的SPE，用于四個不同的通信對象，或者在八線設(shè)備接口中確定各個線對的尺寸。雙線技術(shù)允許通過同一對線纜（數(shù)據(jù)線供電或PoDL）為終端設(shè)備提供輸出功率高達(dá)60W的應(yīng)用特定電壓。
圖3：高效布線 - 單對和四對MICE接口用于布線IP20和IP6x應(yīng)用 （圖源：貿(mào)澤電子） 通信技術(shù)的未來 SPE不能被視為獨立于其他標(biāo)準(zhǔn)化操作的工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸大趨勢。各種委員會和標(biāo)準(zhǔn)化項目正在構(gòu)建未來工業(yè)通信技術(shù)的基本框架。開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu) (OPC UA)、時間敏感網(wǎng)絡(luò) (TSN) 和5G等新通信標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成了從傳感器到機器及更高級別系統(tǒng)乃至云端的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(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，在工業(yè)通信領(lǐng)域擁有超過30年的經(jīng)驗，其目標(biāo)是建立一個獨立于制造商的全新自動化通信標(biāo)準(zhǔn)。 如今，OPC UA已成為面向工廠的疊加通信標(biāo)準(zhǔn)。OPC UA正在通過現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用配置文件進(jìn)行擴展，以用于 I/O、安全或驅(qū)動應(yīng)用，并且還為網(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)成了從傳感器到機器及更高級別系統(tǒng)乃至云端的集成網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) （圖源：Phoenix Contact） 結(jié)語 單對以太網(wǎng) (SPE) 將企業(yè)和操作層的IP20接口與控制和現(xiàn)場層的IP6x接口連接起來，從而開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。其目標(biāo)是所有通信對象基于相同的協(xié)議語言和統(tǒng)一的接口實現(xiàn)無縫連接。由于僅使用一對或四對單獨的線纜減少了布線，用戶可以構(gòu)建從傳感器到控制和公司層一直到云端的高效網(wǎng)絡(luò)和布線結(jié)構(gòu)。除了高達(dá)1000Mbps的數(shù)據(jù)速率外，SPE布線還能為終端設(shè)備提供高達(dá)60W的功率。 |
