单对以太网如何成为工业物联网的DNA

作者：Verena Neuhaus

单对以太网（简称SPE）是目前工业数据传输的一大趋势。想要了解将数据布线减少到单线对的应用场合及其优势，我们需要先来了解一下以太网和工业自动化的发展史。

以太网是在20世纪70年代作为一种非标准化的软件协议开发出来的，用于在有线计算机网络（LAN或局域网）中进行内部和本地有限的数据包传输。在接下来的二十年里，电气电子工程师学会 (IEEE) 定义了软件协议和物理层（包括连接器和电缆等物理接口），并通过引入802.4 （令牌总线）、802.5（令牌环）以及802.11无线局域网 (WLAN) 等各种协议，为现代互联网奠定了基础。

通用语言

到了20世纪80年代，电气自动化技术的推广推动了现场总线技术的逐步发展，并随之出现了各种现场总线协议。所有通信技术的基本思路是相同的，即不同的通信对象应该使用一个公共系统以有序的方式相互通信。然而，各种现场总线协议（如Interbus、DeviceNet 和 Profibus）并非用于公司层面的计算机联网，而是用于控制和管理传感器与执行器的串行或并行连接。

最终，两种传输协议的并行发展形成了时至今日仍然有效的自动化金字塔。最高层代表本地有限的计算机网络，用于粗略和详细的生产计划。较低的层级包括用于记录、控制和调节物理生产过程的信号、数据和电力传输（图1）。

图1：范式转变 - SPE颠覆了传统的自动化金字塔结构（图源：Phoenix Contact）

金字塔主要由来自不同层次的等级逻辑排列组合而成。然而，它也代表了以前有效的工业数据传输框架条件：通过以太网实现高传输速率和短距离传输，通过现场总线实现低传输速率和长距离传输。

颠覆金字塔

我们为什么要先了解这段发展史呢？ 因为工业以太网，特别是单对以太网 (SPE)，正在颠覆传统的自动化金字塔。随着基于以太网的协议（如EtherNet/IP、Profinet或EtherCAT）的发展， 引入了从管理层到现场层的实时数据传输。

在数据传输过程中需防止灰尘、振动和电磁辐射等干扰，而功能更强大、电气性能更复杂的物理接口成为了理想选择。为此，连接技术制造商开发了特殊的IP6x防护等级以太网接口，以满足更高的现场层要求。对于自动化金字塔顶端的企业和运营层，IP20解决方案就可以满足要求。

数据传输新时代

到目前为止，我们所说的标准化操作仅指提高数据传输速率和布线技术，而这些要求由铜缆布线类别中更高的性能等级来定义。

单对以太网并非旨在定义更高的传输速率或更远的距离；而在于形成标准化框架，减少应用的布线工作量。IEC 63171-2 (IP20) 和IEC 63171-5 (IP67) 标准适用于10Mbps至100Mbps的较低传输速率，通过一对电缆即可实现长达1000米的传输距离（图2）。SPE实现了传统以太网之前无法企及的应用领域和应用，例如加工工艺技术。这对工厂操作员来说是一大优势，他们可根据以太网协议继续进行数据布线，例如将同一接口和插针连接器模式用于不同的环境下。

图2: 标准化 - 现场级和数据中心的数据传输速率相继标准化 （图源：Phoenix Contact）

另一优势是单对接口比两对或四对设备和电缆接口要紧凑得多。因此，SPE的采用让紧凑型分散设备成为了工业自动化、过程技术、楼宇自动化以及电信和基础设施应用的未来发展方向，逐步发展成为工业物联网 (IIoT) 的 DNA。

新的引脚连接方式，众所周知的可靠性

为确保所有接口的一致兼容性，IEEE成立了工作组，对传输速率为10Mbps、100Mbps、1000Mbps的应用进行规范描述，并制定了10-Base-T1、100-Base-T1和1000-Base-T1标准。

Phoenix Contact是相应接口标准化背后的主要推动力。作为连接技术领域的专家，Phoenix Contact与市场合作伙伴Reichle & De-Massari和Weidmüller一起，针对单对和四对电缆开发了受保护和未受保护的引脚连接方式。MICE模型描述了它们的机械强度（M1或M2/3）、IP防护等级（I1或I2/3）、耐化学性和耐气候性（C1或C2/3）以及电磁安全性（E1或E2/3）。

紧凑的引脚连接方式非常适合各种通信对象的高效布线——通过单线对或四线对让四个对象共享一条公共线路和接口（图3）。由于采用通用接口，可以混合使用单对和四对布线概念以及IP20和IP6x解决方案。在应用时，可将八线布线概念拆分为四个单独的SPE，用于四个不同的通信对象，或者在八线设备接口中确定各个线对的尺寸。双线技术允许通过同一对线缆（数据线供电或PoDL）为终端设备提供输出功率高达60W的应用特定电压。

图3：高效布线 - 单对和四对MICE接口用于布线IP20和IP6x应用 （图源：贸泽电子）

通信技术的未来

SPE不能被视为独立于其他标准化操作的工业数据传输大趋势。各种委员会和标准化项目正在构建未来工业通信技术的基本框架。开放平台通信统一架构 (OPC UA)、时间敏感网络 (TSN) 和5G等新通信标准，构成了从传感器到机器及更高级别系统乃至云端的连续网络通信基础。

新标准将在成本、数据吞吐量、延迟和确定性方面优于现有协议和接口。Phoenix Contact活跃于所有相关的标准化委员会，在工业通信领域拥有超过30年的经验，其目标是建立一个独立于制造商的全新自动化通信标准。

如今，OPC UA已成为面向工厂的叠加通信标准。OPC UA正在通过现场标准化应用配置文件进行扩展，以用于 I/O、安全或驱动应用，并且还为网络设备的统一配置和诊断定义了标准化设备模型（图4）。

图4：信息 (IT) 和操作技术 (OT) - 新的通信标准构成了从传感器到机器及更高级别系统乃至云端的集成网络基础 （图源：Phoenix Contact）

结语

单对以太网 (SPE) 将企业和操作层的IP20接口与控制和现场层的IP6x接口连接起来，从而开辟了新的应用领域。其目标是所有通信对象基于相同的协议语言和统一的接口实现无缝连接。由于仅使用一对或四对单独的线缆减少了布线，用户可以构建从传感器到控制和公司层一直到云端的高效网络和布线结构。除了高达1000Mbps的数据速率外，SPE布线还能为终端设备提供高达60W的功率。