从汽车到工厂：单对以太网和工业自动化
Single Pair Ethernet (SPE) technology may have gained traction by enabling connected cars, but it’s now being used to extend Industrial Ethernet communications to field-level devices on the plant floor.
While standard Ethernet uses two or four pairs of wires, SPE uses a single twisted pair of wires.
Early SPE projects, such as IEEE 802.3bw for 100 Mb/s (published in 2015) and IEEE 802.3bp for 1 Gb/s (published in 2016), were focused on the automotive industry and its need for space-saving, lightweight and cost-effective Ethernet cabling to transmit data from wireless sensor networks in new vehicles.
Recent Single Pair Ethernet standardization projects have focused on industrial requirements, but there other industrial sectors have different requirements.
Slow But Steady SPE Progress
While IEEE 802.3bp was released in 2016 and included a segment with a reach up to 40m to support industries beyond automotive, such as discrete manufacturing and other types of transportation, chip manufacturers continued to focus their efforts on the automotive industry since demand was the highest there.
Industrial environments may not have been top of mind for SPE at the time, but progress still continued.
For example, IEEE 802.3cg for 10 Mb/s was published in 2019, featuring a shielded 1,000 m segment (10BASE-T1L) for the process industry. (It also included an unshielded 15 m automotive segment [10BASE-T1S].)
通过定义两个信号电平，10BASE-T1L 可在潜在爆炸性环境中使用以太网，为 以太网高级物理层 （以太网 -APL）奠定了合适的基础，该协议于 2021 年专门针对过程工业需求而开发。
1,000 米的段长和 10 Mb/s 的带宽，再加上通过以太网 -APL 定义的数据线供电方案，可以缩短仪器之间的距离（例如，传感器和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。这使得 预测性维护等功能成为可能。
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，对于过程工业而言，对于具有高带宽要求的仪器而言，100 Mb/s 的 500 米段是对 10BASE-T1L 的良好补充。
对于传统上侧重于 100 Mb/s 的离散制造，100 米的段足以提供现有多对以太网解决方案的替代方案。
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，特别是对于离散制造中的运动控制应用。此要求对 IEEE 802.3dg 中的基本规范有影响，即是否可以提供 FEC（前向纠错）以达到 10BASE-T1L 定义的所需误码率。
FEC 对于过程自动化来说是必需的，因为由于电磁干扰，在 500 米的距离内无法保证足够的传输质量。然而，由于它会增加延迟，因此在离散制造中应避免使用它。通过将距离缩短至 100 米并选择合适的编码方法，可以实现这一点。
目前尚不清楚 FEC 是否会被指定为可选功能，或者是否会有两个段定义。但可以肯定的是，行业将实现多样化。
流程工业中的SPE
Ethernet-APL 支持从仪器到交换机的终端设备的开发和市场准入—。IEC 61156 规定了新电缆和现有电缆的要求，电缆直径范围为 26 AWG 至 14 AWG。直径在 18 AWG 和 14 AWG 之间的电缆主要用于实现主干线（将 APL 现场开关连接到 APL 电源开关）。
Ethernet-APL 还包含连接器、螺钉和夹紧端子的规格。可以采用或调整 IEEE 802.3dg 中 100 Mb/s 段的相应规范。
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。
在非危险环境中，例如 食品和饮料制造业，本质安全要求不适用。因此，可以使用 IEEE 802.3cg 指定形式的 PoDL（数据线供电）（也称为 SPoE 或单对以太网供电）。
取决于所连接的设备’s 功耗和 SPoE 等级，更长距离需要高达 16 AWG 的电线直径。
根据 IEEE 802.3cg，SPoE 直接适用于 IEEE 802.3dg 的 100 Mb/s 段，因为它参考了最大环路电阻。
离散制造中的SPE
对于连接传感器和执行器，IEEE 802.3cg 的 10 Mb/s 段代表了 IO-Link。
它’通过比较 SPE（以太网到传感器范围、带宽等）和 IO-Link（非屏蔽电缆、较低的购买成本等）的优势，您可以决定哪种最适合您的应用。
利用 IEEE 802.3dg 的 100 Mb/s 段，假设实现可接受的延迟，SPE 成为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，以便工厂能够从中受益 自动化优势 它提供。
我们的 SPE 产品组合优化了工业运营中的以太网连接。随着 SPE 不断渗透市场并获得发展势头，我们’我们会继续向您提供最新信息。
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关于作者
Lukas Bechtel 自 2012 年起就职于 Belden，从测试自动化工程师晋升为 CTO 办公室的技术架构师。 他还是埃斯林根大学的教员和研究员，在那里他为学生讲授 IT 和网络安全以及工业网络，同时研究工业 4.0、无线通信和工业通信与安全等领域。