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來源：貿澤電子 作者：Verena Neuhaus 單對以太網（簡稱SPE）是目前工業數據傳輸的一大趨勢。想要了解將數據布線減少到單線對的應用場合及其優勢，我們需要先來了解一下以太網和工業自動化的發展史。 以太網是在20世紀70年代作為一種非標準化的軟件協議開發出來的，用于在有線計算機網絡（LAN或局域網）中進行內部和本地有限的數據包傳輸。在接下來的二十年里，電氣電子工程師學會 (IEEE) 定義了軟件協議和物理層（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）以及802.11無線局域網 (WLAN) 等各種協議，為現代互聯網奠定了基礎。 通用語言 到了20世紀80年代，電氣自動化技術的推廣推動了現場總線技術的逐步發展，并隨之出現了各種現場總線協議。所有通信技術的基本思路是相同的，即不同的通信對象應該使用一個公共系統以有序的方式相互通信。然而，各種現場總線協議（如Interbus、DeviceNet 和 Profibus）并非用于公司層面的計算機聯網，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，兩種傳輸協議的并行發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絡，用于粗略和詳細的生產計劃。較低的層級包括用于記錄、控制和調節物理生產過程的信號、數據和電力傳輸（圖1）。 
圖1：范式轉變 - SPE顛覆了傳統的自動化金字塔結構（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數據傳輸框架條件：通過以太網實現高傳輸速率和短距離傳輸，通過現場總線實現低傳輸速率和長距離傳輸。 顛覆金字塔 我們為什么要先了解這段發展史呢？ 因為工業以太網，特別是單對以太網 (SPE)，正在顛覆傳統的自動化金字塔。隨著基于以太網的協議（如EtherNet/IP、Profinet或EtherCAT）的發展， 引入了從管理層到現場層的實時數據傳輸。 在數據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、電氣性能更復雜的物理接口成為了理想選擇。為此，連接技術制造商開發了特殊的IP6x防護等級以太網接口，以滿足更高的現場層要求。對于自動化金字塔頂端的企業和運營層，IP20解決方案就可以滿足要求。 數據傳輸新時代 到目前為止，我們所說的標準化操作僅指提高數據傳輸速率和布線技術，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，通過一對電纜即可實現長達1000米的傳輸距離（圖2）。SPE實現了傳統以太網之前無法企及的應用領域和應用，例如加工工藝技術。這對工廠操作員來說是一大優勢，他們可根據以太網協議繼續進行數據布線，例如將同一接口和插針連接器模式用于不同的環境下。
圖2: 標準化 - 現場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自動化、過程技術、樓宇自動化以及電信和基礎設施應用的未來發展方向，逐步發展成為工業物聯網 (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力。作為連接技術領域的專家，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，或者在八線設備接口中確定各個線對的尺寸。雙線技術允許通過同一對線纜（數據線供電或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 - 單對和四對MICE接口用于布線IP20和IP6x應用 （圖源：貿澤電子） 通信技術的未來 SPE不能被視為獨立于其他標準化操作的工業數據傳輸大趨勢。各種委員會和標準化項目正在構建未來工業通信技術的基本框架。開放平臺通信統一架構 (OPC UA)、時間敏感網絡 (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絡通信基礎。 新標準將在成本、數據吞吐量、延遲和確定性方面優于現有協議和接口。Phoenix Contact活躍于所有相關的標準化委員會，在工業通信領域擁有超過30年的經驗，其目標是建立一個獨立于制造商的全新自動化通信標準。 如今，OPC UA已成為面向工廠的疊加通信標準。OPC UA正在通過現場標準化應用配置文件進行擴展，以用于 I/O、安全或驅動應用，并且還為網絡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 (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絡基礎 （圖源：Phoenix Contact） 結語 單對以太網 (SPE) 將企業和操作層的IP20接口與控制和現場層的IP6x接口連接起來，從而開辟了新的應用領域。其目標是所有通信對象基于相同的協議語言和統一的接口實現無縫連接。由于僅使用一對或四對單獨的線纜減少了布線，用戶可以構建從傳感器到控制和公司層一直到云端的高效網絡和布線結構。除了高達1000Mbps的數據速率外，SPE布線還能為終端設備提供高達60W的功率。 |
