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，我们分享了很多关于单对以太网和SPE网络的信息：
- 确定SPE技术的核心特征
- 解释了不同细分市场的采用率将有何差异
- 描述了它为工业自动化中的不同利益相关者提供的优势
现在需要探索SPE如何在传感器/执行器层级完善以太网网络，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）制造商能够扩展其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现成本时，购置成本通常是唯一考虑的费用。后续生命周期阶段（如调试、运行和维护）的成本和收益很少包括在内。在计算设备成本时，通常只是将以太网收发器和附加电路（磁性元件）的价格与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
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）成正比的模拟传感器，转换为模拟I/O模块并封装在以太网框架中，由于这种情况提供的成本效益比很低，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，即在传感器中将测量变量转换为数字信号，并通过数字I/O模块耦合到以太网网络，将在小范围内集成SPE。这允许传感器利用以太网的一致实现。将以太网收发器从I/O模块移至传感器对于传感器数量较少或传感器之间距离较远的应用特别有用。
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可用的安全功能。在这方面，预计智能数字传感器采用SPE的程度将会非常高。
智能传感器
如今，具有高带宽要求的智能传感器已经通过以太网系统连接。例如需要1.6 Mb/s到4.3 Mb/s（取决于视频质量）的本机带宽，带有分辨率为2 MP的标准编解码器（H.264），且帧速率为 20 f/s的摄像头。当传输额外的重要数据时，这种带宽要求会增加，才能提供增值服务，例如维护。
这种带宽要求随着能够提供增值服务的重要数据的额外传输而增加。SPE最有可能在这一传感器类别中被采用，不仅是因为这一要求，还因为（特别是）因为10BASE-T1L和100BASE-T1L的长距离传输（IEEE 802.3dg的目标是在500米范围内达到100 Mb/s）以及通过PoDL/SPoE实现的远程供电。
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。
有各种用于较高层的行业协议，以及各种连接器，以补充不同的工业环境及其对以下方面的要求：
- 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。
制造商还必须应对这样一种现状，即电子元件都是面向汽车应用开发的。需要额外进行处理才能实现它们。一个突出的例子就是半导体制造商提供的适合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连接交换机和单端口PHY芯片，这些接口是不受介质限制的接口。由于信号量大，这些接口以及单端口PHY芯片的使用导致PCB上的信号路由更加复杂，并增加了空间需求。
虽然SGMII等现代接口需要每个端口四个信号，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芯片都需要使用MDIO和MDC管理接口。
目前尚且没有配备合适的介质独立接口（如SGMII或QSGMII）的SPE多端口PHY芯片。特别是对于10BASE-T1L，这些专为千兆运行而设计的接口并非半导体制造商的重点领域。
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为参与网络安装生命周期四个阶段的各种专业人员带来了创新潜力。这也强烈地反映在IEEE和用户组织的各种标准化活动中。
尽管IEEE有着悠久的标准化历史，但SPE仍然是一项相对年轻的技术，在达到更简化的传感器之前，它将主要在更复杂和智能的传感器中自证实力。随着组件和硬件可用性的不断增加，SPE将继续朝着更实惠的传感器价位方向发展，并确保网络组件的协调。
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关于作者
Michael Hilgner热衷于塑造公司的技术战略。他帮助Belden从产品路线图中得出对新技术的需求，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，他帮助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在Belden的Hirschmann自动化和控制部门从事工业以太网领域工作已有二十多年。自2012年以来，她一直作为高级系统架构师任职于Belden高级开发部门，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。