作者：Dr. Matthias Laasch，laasch:tec 技術編輯咨詢

　　SPE、PoDL 和以太網 APL 等技術克服了工業通信的傳統限制。先進的信號、數據和電力接口在此至關重要：它們能幫助自動化供應商節省生產設備聯網時的資源和成本。

　　(圖片來源：PeopleImages via Getty Images)

　　數字化和無縫數據網絡使企業流程滲透到生產現場，這是自動化技術的一個持久趨勢。其目標就是打造高度靈活的生產環境，可根據客戶要求進行定制，以達到前所未有的多樣化和生產率水平。為此，在“工業 4.0”的大背景下，制造業正在經歷一場顛覆性的變革，而可持續利用所有可用資源則是其中最重要的一個方面。

　　從現場到云端的無縫連接

　　機器、產品以及最終與人之間的無縫連接是這一變革的特征，它正開始大規模穿透運營技術 (OT) 和信息技術 (IT) 之間的傳統界限。如今，有了工業以太網技術，即使是現場層設備也能通過 TCP/IP 與公司的云數據基礎設施實現寬帶、低成本的無縫互聯。與現場總線不同，工業以太網橫跨自動化的各個層面——從現場設備到云端，端到端。因此，工廠和車間操作員可以實時訪問設備數據，并將其用于生產規劃、流程控制和數據分析。

　　例如，工業以太網可以實時采集和分析來自傳感器、電源或驅動器的數據。通過臨界點的溫度變化或振動信息以及負載曲線，可以得出優化工藝參數的結論。當預計會出現過載情況時，它們會發出報警，并提示需要及早進行維護。在這方面，預測性維護尤為重要，因為它可以幫助操作員提高設備和機器的可用性，并最大限度地減少能源消耗和資源使用——這一方面降低了作業成本，另一方面也大大提升了工藝設備和工廠車間的可持續性。

　　堅固耐用的 RJ45 替代品

　　這些網絡(尤其是工業以太網)的物理骨干器件是高性能互連技術，可在自動化網絡的各個節點之間可靠地傳輸信號和數據。除了在工業應用中需要物理上的堅固性之外，這些解決方案如今還面臨著許多新的挑戰，如網絡節點數巨大、微型化或高傳輸帶寬挑戰等。其中特別是要：外形小巧、減少安裝和布線工作量、高信號完整性(即精確的電磁干擾屏蔽)以及長距離傳輸可靠性。后者在廠區擴大時尤為重要。使用數據連接器的設備對電源的要求也越來越高。

　　以太網通信的標準接口是廣泛使用的 RJ45 連接器。用戶經常報告觸頭或閉鎖元件損壞的問題;RJ45 還因其尺寸而限制了其微型化。相比之下，德國供應商 HARTING 的 ix Industrial 接口(圖 1)等替代品體積更小，更加堅固耐用，尤其是抗沖擊和抗振動能力更強。據制造商稱，與標準 RJ45 相比，電路板上的空間最多可節省 70%。360° 屏蔽連接器專為 10 Gbit/s 以太網通信而設計，與 PoE(以太網供電)以及用于電力傳輸的 PoE+ 兼容。

　　圖 1：比標準 RJ45連接器更小、更堅固：HARTING 的工業以太網接口 ix Industrial。(圖片來源：HARTING)

　　ix Industrial 是 HARTING 與日本連接器專家 Hirose 共同開發的接口。其尺寸、電氣性能和編碼符合 IEC 61076-3-124 標準。其他制造商，如美國公司 Amphenol Communications Solutions，也提供了與 ix Industrial 性能相當的可互配產品：例如，適用于惡劣環境的防護等級為 IP65/66/67 的推拉式連接器、集成磁鐵的 ix Mag 連接器(圖 2)，或帶有斜角 RJ45 連接器的 以太網轉 RJ45 電纜組件;它們同時提供 100Gb 以太網和 PoE/PoE+ 功能。

　　圖 2：Amphenol ix Mag：最高 10 Gb/s 的以太網通信速度、360° 屏蔽和最高 90 W 的 PoE++(圖片來源：Amphenol Communications Solutions)

　　ix Industrial 用例

　　下例說明了高性能、小型化以太網接口在工業 4.0 應用中的巨大潛力：

　　自動化專家 Beckhoff 的 XTS 線性傳輸系統是一種驅動解決方案，使用磁力驅動的移動裝置沿著全集成的電機模塊軌道移動。Beckhoff 認為，這些可實現單獨運動曲線的獨立控制裝置是新機器概念的起點，可實現更靈活的制造流程(如設備換裝)，縮短了停機時間。

　　為了讓移動裝置遵循其運動模式，計算機必須不斷計算各個電機模塊的開關和電流供應。為此，總共可以將三塊電腦板組合在一起，每塊電腦板以前都有四個 RJ45 插座作為端口。為了在不改變系統尺寸的情況下，讓更多的移動裝置在最新一代的 XTS 系統中運行，RJ45 插座被 HARTING 的 ix Industrial 接口取代。可靠的屏蔽和高數據吞吐量在這里是主要要求。與 RJ45 不同，每個 ix Industrial 連接器可連接兩個 100-Mbit/s 以太網。因此，在同一塊電路板上可以安裝八個而不是四個端口，每個端口可以安裝兩個而不是一個以太網通道。

　　因此，在三塊計算機板上實現了 48 個端口，而不是 12 個端口。于是，采用最新一代的 XTS 系統后，每個單元可使用 48 條 XTS 線路，而不是 12 條，這相當于將運輸系統的性能提高了 400%。

　　兩線，而非四線或八線

　　當今工業自動化技術的一個顯著特點是從層次架構向去中心化架構的轉變。這些設備被認為是先進的，特別富有成效，而且還能提高網絡安全性。這是因為智能傳感器或邊緣計算機等智能節點能夠自主執行某些數據處理任務，從而減少了邊緣和云之間的敏感數據流量。去中心化管理的優勢不言而喻，但現場連接設備的數量正在大幅增加，布線和連接的工作量也在不斷增加。從材料和安裝工作量以及能源消耗的角度來看，經濟地使用這些設備正在成為生產設施可持續發展的一個重要標準。

　　單對以太網 (SPE) 被認為是效率和成本效益方面的決定性突破。這種通信技術由 IEEE 802.3 標準規定;IEC 63171-x 系列標準適用于相應的連接器。從根本上說，它使現場組件只需通過一個雙絞線對(即兩根線而不是以前的四根線甚至八根線)即可連接：成本低、節省資源，因此可持續性極佳。SPE 最初是為汽車電子產品開發的，現在已能滿足許多自動化供應商的要求：單線對使他們能夠將大量儀器、控制器和其他設備以千兆位數據速率集成到以太網網絡中(圖 3)。

　　圖 3.單對以太網能夠以節省資源和成本的方式將現場層設備集成到寬帶以太網通信中。(圖片來源：SPE Industrial Partner Network)

　　另一個優勢是：由于具有 PoDL 兼容性(數據線供電，IEEE P802.3bu)，同一對電線不僅能向現場設備傳輸數據，還能傳輸電力。在以前的 PoE 供電功率范圍內，除了執行器和傳感器外，還可以連接基于相機的儀器，并通過 PoDL 供電。

　　單對以太網產品

　　在 SPE 領域，HARTING 憑借其 T1 連接器(包括鎖定和 360° EMI 屏蔽)占據了一席之地(圖 4)。支持 PoDL 的 T1 采用圓形設計，提供 M8 和 M12 兩種規格。就防護等級而言，該產品提供從 IP20 到 IP67 不同等級選擇，按照制造商的說法，相應的接口對應設計符合防護等級并確保了互操作性。

　　圖 4：屏蔽和配備鎖定功能——支持 PoDL 的 T1 防護等級為 IP20 至 IP67。(圖片來源：HARTING)

　　Phoenix Contact 還提供一個全面的 SPE 產品組合，用于控制柜、傳感器、開關和網關之間的現場布線。該供應商的產品包括用于工業 IP20 至 IP67 環境的電路板連接器或電纜組件等。

　　開源工具提供商 SparkFun Electronics 提供了 SPE 功能板，以支持開發人員使用單對以太網設計應用(圖 5)。該電路板名為 MicroMod COM-19038，包括一個 Analog Devices 的 ADIN1110 以太網收發器、Würth Elektronik 的無源元件和一個 HARTING T1 連接器。集成的 MAC(媒體訪問控制)接口可在全雙工模式下以 10 Mb/s 的速度與主機控制器進行串行通信。電路板通過 1700 米長的電纜支持網絡節點，但不能通過該電纜為節點供電。SparkFun 的 CTO Kirk Benell 在一個演示視頻中介紹了該開發板。

　　圖 5：帶有顯示屏的環境傳感器演示器。(圖片來源：SparkFun Electronics)

　　流程技術中的端到端聯網

　　單對以太網有很多技術優勢，如在狀態監控和預測性維護方面的優勢，也有利于流程自動化。不過，這里適用針對以太網連接的擴展要求規范。除了強大的寬帶實時通信(車間也需要)，范圍廣泛的加工設備還需要遠距離數據傳輸。此外，自動化組件必須本質安全，以便在潛在爆炸環境中使用。這就是所謂的以太網高級物理層(以太網 APL)的由來：它定義了物理傳輸層，用于 10 Mb/s 以太網通信，以及通過一根雙線(與 SPE 一樣)供電，傳輸距離可達 1000 米。與 SPE 一樣，以太網 APL 也非常適合用于通用的多用途現場儀表。

　　結語

　　工業以太網，特別是單對以太網，支持生產設備實現寬帶聯網。它們可實現從現場到云端的無縫通信，并允許實時訪問設備數據，從而為操作員優化工廠和流程提供支持。它們在降低作業成本、提高可用性以及優化能源和資源利用方面的優勢顯而易見。像 ix Industrial 接口和具有 PoDL 功能的 SPE 連接器這樣的高級連接技術，可確保所有網絡節點之間可靠地進行數據和電力傳輸。這使之成為工業 4.0 的關鍵組件和可持續自動化概念的支柱。