从汽车到工厂：单对以太网和工业自动化
单对以太网（SPE）技术可能已经通过实现联网汽车获得认可，而现在它被用于将工业以太网通信扩展到工厂车间的现场级设备。
标准以太网使用两对或四对电线，而SPE使用一对双绞线。
早期的SPE项目，如100 Mb/s级IEEE 802.3bw（2015年发布）和1 Gb/s级IEEE 802.3bp（2016年发布），侧重于汽车行业及其对节省空间、轻便且具有成本效益的以太网布线的需求，以便在新车中通过无线传感器网络传输数据。
最近的单对以太网标准化项目侧重于满足工业要求，但其他行业部门有不同的要求。
SPE进展缓慢而稳定
虽然IEEE 802.3bp于2016年发布，并且包含了传输距离长达40米的网段，以支持汽车以外的行业，如离散制造和其他类型的运输，但芯片制造商继续将精力集中在汽车行业，因为那里的需求最高。
当时，工业环境可能不是SPE的主攻领域，但SPE在该领域的进展仍在继续。
例如，10 Mb/s级IEEE 802.3cg于 2019年发布，其中包含用于流程工业的屏蔽式1,000米网段（10BASE-T1L）。（它还包括一个非屏蔽式15米汽车网段[10BASE-T1S]。）
通过定义两个信号水平，10BASE-T1L支持在潜在爆炸性环境中使用以太网，为以太网高级物理层 （Ethernet-APL）奠定了可靠的基础，这是2021年专门为满足流程工业要求而开发。
1,000米的网段长度和10 Mb/s的带宽，加上通过Ethernet-APL定义的数据线的供电方案，衔接了仪器之间的距离（例如，传感器与聚合点或控制室之间），同时以比传统现场总线更高的带宽传输数据。这种配置实现了预测性维护等功能。
正在进行的 IEEE 802.3dg 100 Mb/s 项目预计将于2025年完成，该项目也受到汽车以外应用的推动。例如，在流程工业中，对于具有高带宽要求的仪器，100 Mb/s的500米网段是10BASE-T1L的良好补充。
对于传统上专注于100 Mb/s的离散制造业，100米网段足以为现有的多对以太网解决方案提供替代方案。
工业自动化的网络要求有何不同
除了范围不同之外，流程工业和运输行业的要求还有其他不同之处：允许延迟。
延迟必须很低，对于离散制造中的运动控制应用尤其如此。此要求影响IEEE 802.3dg中的基本规范，即是否可以提供FEC（前向纠错）以实现针对10BASE-T1L定义的规定误码率。
FEC是流程自动化的必要功能，因为由于电磁干扰，无法保证在500米的距离内有足够好的传输质量。但是，由于它会增加延迟，因此在离散制造中应避免使用。这可以通过将距离缩短至100米并选择合适的编码方法来实现。
FEC是否会被指定为可选功能，或者是否会有两个网段定义，目前尚不清楚。然而，可以肯定的是按行业部门划分的多样化。
流程工业中的SPE
Ethernet-APL支持终端设备（从仪器到交换机）的开发和市场准入。通过IEC 61156规定了新线缆和现有线缆的线缆要求，直径范围为26 AWG至14 AWG。直径在18 AWG和14 AWG之间的线缆主要用于实施主干网络（将APL现场交换机连接到APL电源交换机）。
Ethernet-APL还包含连接器以及螺钉和夹具端子的规范。相应的规范可以采用IEEE 802.3dg的100 Mb/s网段或据此进行调整。
混合制造中的SPE
Ethernet-APL技能满足流程工业的通信要求，也能应对潜在爆炸性环境带来的挑战。
在食品和饮料制造等非危险环境中，固有安全要求不适用。因此，可以使用IEEE 802.3cg（也称为SPoE或单对以太网供电）指定形式的PoDL（数据线供电）。
根据所连接设备的功耗和SPoE等级，长距离需要最大16 AWG的线径。
根据IEEE 802.3cg，SPoE直接适用于IEEE 802.3dg中的100 Mb/s网段，因为它考虑了最大环路电阻。
离散制造中的SPE
对于连接传感器和执行器，IEEE 802.3cg中的10 Mb/s网段代表了IO-Link的替代方案。
在比较SPE（以太网到传感器的传输距离、带宽等）和IO-Link（非屏蔽线缆、更低的购买成本等）各自优势的基础上，您可以自行决定哪种最适合您的应用。
借助IEEE 802.3dg的100 Mb/s网段，实现了可接受的延迟，SPE构成了工业以太网中多对以太网的替代方案。
将SPE引入工业环境
Belden正在帮助将工业环境连接到单对以太网，以便工厂能够从其提供的自动化优势中受益。
我们的SPE产品组合可优化工业运营中的以太网连接。随着SPE继续渗透市场并获得动力，我们将继续为您提供最新信息。
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关于作者
Lukas Bechtel自2012年开始就职于Belden，从测试自动化工程师逐步晋升为我们CTO办公室的技术架构师。他还是埃斯林根大学的教师和研究员，在那里他向学生教授IT和网络安全以及工业网络，同时研究工业4.0、无线通信以及工业通信与安全等领域。