从零开始：工业传感器和单对以太网
单对以太网（SPE）正在成为全自动智能工厂的基础。
在一系列博客中，我们分享了很多有关单对以太网和 SPE 网络的信息：
- 确定了 SPE 的核心功能 科技
- 解释了不同细分市场的采用率将有何差异
- 描述它为 不同利益相关者带来的优势 在工业自动化领域
现在是时候探索 SPE 如何在传感器/执行器级别补充以太网网络，以及需要克服的障碍，以便有源组件（交换机和路由器）和终端设备（传感器和执行器）制造商可以扩展其 SPE 产品组合。
计算SPE的总拥有成本
在网络的整个生命周期中需要考虑四个阶段：
- 购置
- 调试（此处可以区分硬件安装和软件设置）
- 运行
- 维护
在比较 SPE 网络与基于现场总线或串行接口的传统网络的实施成本时， 采购成本 通常是唯一考虑的费用。很少包括后续生命周期阶段的成本和收益，例如 调试、运行和维护。在计算设备成本时，以太网收发器和附加电路（磁性元件）的价格通常与简单的 RS-485 或 RS-232 接口的价格进行比较。
然而，要确定拥有SPE网络的真实总成本，就务必更详细地考虑所有四个安装阶段。
在传感器/执行器层级采用SPE的可能性
通过在整个网络生命周期中进行成本效益分析，可以根据SPE采用可能性对传感器进行分类。
模拟传感器
模拟传感器的电流（例如 4-20 mA）或电压（例如 0-10 V）与测量变量（压力或温度）成比例，在模拟 I/O 模块中转换并封装在以太网帧中，由于这种情况提供的效益成本比较低，因此很少（如果有的话）配备 SPE。
简单的数字传感器
简单的数字传感器将在小范围内集成 SPE，其中测量变量在传感器中转换为数字信号，并通过数字 I/O 模块耦合到以太网网络。这使得传感器能够利用以太网的一致实现。将以太网收发器从 I/O 模块移入传感器对于传感器数量较少或传感器之间距离较大的应用特别有用。
智能数字传感器
通过现场总线或串行接口连接的智能数字传感器受益于 SPE 提供的更高带宽。他们还受益于以太网的安全功能。在这方面，可以预期智能数字传感器将得到相当程度的 SPE 采用。
智能传感器
如今，对带宽要求较高的智能传感器已经通过以太网系统连接。考虑需要 1.6 Mb/s 至 4.3 Mb/s 之间本机带宽（取决于视频质量）的摄像机，其标准编解码器（H.264）的分辨率为 2 MP，帧率为 20 f/s。当传输额外的重要数据时，这种带宽需求会增加，从而实现维护等增值服务。
随着重要数据的额外传输，带宽需求也会增加，从而实现增值服务。该传感器类别最有可能采用 SPE，不仅是因为这一要求，而且（尤其是）因为 10BASE-T1L 和 100BASE-T1L 的长距离（IEEE 802.3dg 的目标是 500 米内 100 Mb/s）以及通过 PoDL/SPoE 进行远程供电。
从设备制造商的角度来看采用SPE面临的障碍
为了满足不同目标市场对SPE的不同要求，设备制造商为物理传输层定义了不同的带宽、线缆长度和拓扑结构标准。
有多种用于较高层的行业协议，以及多种可补充不同工业环境的连接器 以及他们对以下事项的要求：
- 防尘和防潮
- 化学物质耐受性
- 抗机械应力和电磁干扰（EMI）的稳健性
由于存在众多需求组合，有源基础设施组件和终端设备制造商可能会通过提供具有经济可行的成本/效益比，但仅适用于某些应用的解决方案，来应对这种复杂性。
及早实现标准化并建立通用行业标准，虽然可能会减缓SPE网络和技术的整体采用，却是克服这一问题的可能方法。
制造商还必须面对这样一个事实：电子元件已经为汽车应用而开发。它们的实施需要付出额外的努力。一个突出的例子是半导体制造商提供的适用于 SPE 的交换机和多端口收发器 (PHY) 芯片。
例如，目前需要使用 RGMII、RMII 或 MII（介质独立接口）来连接交换机和单端口 PHY 芯片。由于这些接口信号数量较多，并且使用单端口 PHY 芯片，导致 PCB 上的信号布线更加复杂，并且空间需求也增加。
虽然现代接口（例如 SGMII）每个端口需要 4 个信号，但 MII 接口需要 16 个信号，RMII 接口需要 8 个信号。此外，每个单端口 PHY 芯片还需要 MDIO 和 MDC 管理接口。
目前还没有配备合适的介质独立接口（例如 SGMII 或 QSGMII）的 SPE 多端口 PHY 芯片。具体来说，对于 10BASE-T1L，这些为千兆位操作而设计的接口并不是半导体制造商关注的领域。
但是，交换机ASICS的发展是由快速增长的带宽需求推动的，因此，具有多千兆位带宽的相应MAC-PHY接口正在得到优化。
接口不兼容必须通过额外的协议转换芯片来克服，这使得开发合适的现场交换机的成本更高。
SPE正在自证实力
SPE 为网络安装生命周期四个阶段所涉及的各个专业人员带来了创新潜力。这在 IEEE 和用户组织的各种标准化活动中也有强烈的体现。
尽管 IEEE 拥有悠久的标准化历史，但 SPE 仍然是一项相对年轻的技术，它将主要在更复杂、更智能的传感器中证明自己，然后再应用于更简化的传感器。随着组件和硬件的可用性不断提高，SPE 将继续在更便宜的传感器领域中占据一席之地，并确保网络组件的协调。
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关于作者
Michael Hilgner 的热情在于制定公司的技术战略。 他帮助百通从产品路线图中获取新技术的需求，并将新技术引入产品开发中。 作为 OT 和 IIoT 系统解决方案的专家，他致力于推动产品和流程的数字化。 他还发起并保持与学术界和研究机构的合作伙伴关系，以探索新技术并提高其成熟度。
关于作者
Cornelia Eitel 曾在 Belden 的 Hirschmann Automation and Control 公司从事工业以太网领域的工作二十多年。 自 2012 年起，她一直担任 Belden 高级开发部门的高级系统架构师，主要负责硬件领域。 她还支持 IEEE 802.3 单对以太网的标准化。
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。