单对以太网：工业自动化利益相关方重磅参与
随着单对以太网（SPE）将以太网技术的使用从汽车应用扩展到工业自动化中的传感器和执行器，SPE对各种用户群来说变得更加容易了解和使用。
在最近的一篇博客中，我们介绍了工业环境中的领导者可以用来确定该技术与其特定应用的相关性的五种技术SPE特征 。这些特征包括：
- 流畅通信
- 高带宽
- 传输距离长
- 远程供电能力
- 安装灵活性
但是，决定是否部署SPE很少如此简单。使用单对以太网的决策通常由一群利益相关方做出，他们对哪些SPE特征和优势最关键或最相关有不同的优先级和看法。
下面，我们将介绍通常参与SPE决策过程的利益相关方，以及他们在SPE技术方面的具体兴趣和机会。
施工和安装专业人员
通信技术的选择对推进SPE的决策有重大影响。必须考虑重量、线缆布线、数据和电源布线的安装、维护和防火。
在某些应用中，SPE比当今的物理传输标准具有优势：
- 与其他类型的铜缆布线相比，SPE线缆可以减轻重量 。
- SPE外径和弯曲半径小，可以简化线缆布线。
- 在恶劣的工业环境中，铜缆传输（如SPE）比光纤系统具有耐用性优势 。
- 由于SPE具有远程供电功能，可以使用单根数据线缆同时传输数据和供电。这可以通过数据线对或使用混合线缆实现类似于以太网供电 （PoE） 的方式实现。
在建造列车的应用中，SPE可能大有裨益：这是一个非常注重重量和空间的环境，会使线缆暴露在恶劣的条件下。在这里，将SPE线缆用于列车内的网络控制、监控系统和乘客信息系统具有显著的优势。
更小、更轻的线缆简化了线缆布线，占用更少的列车空间，提高了灵活性，可实现无故障安装。这大大降低了列车的整体重量，从而提高了能源效率和性能（较低的重量使其更容易加速和减速）。
线缆在紧绷的安装或振动下不易断裂。同时，SPE的远程供电功能使用数据传输线缆，为传感器、摄像头和显示器提供高效的电源。
结果：更好的运营效率、安全性和乘客体验。
网络管理员
安装系统后，网络管理员必须分发网络中通信参与者的地址和授权。
SPE的流畅通信和远程供电功能在简化网络安装和维护方面发挥着核心作用，同时支持通用安全机制。流畅通信通过为传感器/执行器级别提供统一的、基于IP的通信平台，简化了网络组件的集成和管理。
这降低了网络调试的复杂性，并支持安全机制（如 IEEE 802.1X）的有效应用，并实现了跨所有网络级别的端到端身份验证和加密。SPE的远程电源还有助于简化设备的安装和维护，无需单独的电源线，这对于在难以到达或偏远的地区设置网络组件时特别有用。
在大型仓库中创建安全网络就是一个范例，SPE在其中可用于集成各种监控摄像头和门禁系统。
通过使用SPE，这些设备可以通过单根线缆轻松连接数据和电源，从而大大降低安装成本和复杂性，同时通过IEEE 802.1X促进符合安全标准，以确保安全可靠的网络运行。然而，对于可以联网的设备，与现场总线相比，这需要在实现所需功能方面付出额外的努力，并且可能需要更多的硬件资源，例如计算能力或内存。
应用程序员
SPE的流畅通信和带宽特征对于参与系统编程和执行工厂验收测试（FAT）的应用工程师尤为重要。SPE支持基于IP的高效端到端通信，可实现传感器、执行器和控制单元的直接和简单的网络连接。
这简化了系统组件的编程和集成，因为在兼容性和连接性方面的限制较少。例如，应用工程师可以灵活切换传感器制造商，而无需将连接作为核心选择标准。同时，从现场总线到以太网技术的转变为终端设备提供了更多的带宽，以便可以检索更多的诊断数据。
与四线和八线以太网连接相反，SPE支持使用紧凑型连接器和更轻的线缆。然而，与现场总线相比，SPE需要实现完整的IEEE网络堆栈，这会产生额外的开发成本。标准组织ODVA已经接受了这一挑战，并针对具有严重硬件限制的设备（“受限设备”）缩小了EtherNet/IP的功能范围。这包括具有预共享密钥的CIP安全功能 ，以及仅通过UDP进行控制数据交换。
应用操作人员
对于负责系统控制、维护和维修的应用操作人员来说，SPE的远程电源和流畅通信功能发挥着核心作用。
远程供电使得通过以太网线缆为传感器和执行器等终端设备供电成为可能，这简化了安装和维护，特别是在难以接近或占地面积广大的区域。
在使用SCADA系统的装置进行远程监测和控制时，这一点变得更加重要，因为SCADA系统需要可靠的并行通信来进行过程控制和监控。SPE提供的流畅通信对于确保传感器/执行器级别的基于IP的统一网络至关重要。
这种端到端连接不仅有助于不同系统组件的集成，还支持SCADA系统的控制命令并行传输和实时数据采集。
一个具体的范例就是分布式发电系统的远程控制和监控。通过使用SPE，应用操作人员可以实时监控太阳能电池板和风力涡轮机的输出，同时向逆变器和负载管理系统发送控制命令，从而确保最佳的产能率。
远程电源和流畅通信的结合可实现高效、可靠且经济的运营管理，这对于现代基础设施管理至关重要。直到现在，远程监测和控制仍未直接使用传感器数据实现，但过程中的控制器已向SCADA系统提供了汇总数据。这减少了现场总线应用中对传感器的需求，但需要定期调整控制程序才能提取最新数据。
数据科学家
对于参与全厂数据分析、预测性维护和控制优化的数据科学家来说，SPE的带宽和流畅通信功能尤为重要。SPE的高带宽能够快速传输分析和机器学习所需的大量数据。这对于获得实时见解和开发准确的预测模型至关重要。流畅通信还有助于通过统一接口集成来自不同来源的数据，从而降低数据收集的复杂性并实现更全面的数据分析。
一个实际范例就是制造工厂生产流程的优化。数据科学家可以使用SPE从机器上的传感器高频收集数据，并使用这些信息开发预测性维护算法。通过分析这些数据，可以检测到潜在的故障，并且可以主动计划在计划外停机发生之前进行的维护工作。
高带宽和流畅通信的结合可实现高效的数据收集和分析，从而显著提高工厂可用性并优化操作流程。在当前的现场总线环境中，传感器连接遭到充当网关的控制器的隔离。因此，数据科学家无法以所需的分辨率检索传感器数据。这一局限制约了他们在当前现场总线环境中的作用。
Belden对SPE的关注
随着针对特定行业的SPE变体继续通过IEEE 802.3实现标准化，并且利益相关方纷纷考虑将该技术用于其工业自动化应用，Belden将帮助引领将单对以太网引入工业自动化应用，使工厂能够从中获益。
我们的单对以太网布线和连接产品组合旨在优化恶劣环境中的以太网连接可能性，包括工业和运输运营环境。
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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。