单对以太网对工业物联网架构有何好处

以太网数据通信的最新发展是通过单对电缆扩展其功能。单对以太网(SPE)允许传统工业网络迁移到以太网网络技术，同时向边缘设备传递电力和数据。

SPE提供了一个支持平台，允许从各种遗留网络迁移到一个通用物理层。通过从边缘传感器、车间到企业桌面的单一技术，工业4.0离实现又近了一步。

SPE扩展了工业物联网(IIoT)的资源，为组织迁移到基于以太网的操作技术(OT)提供了加速器，提供了与信息技术(IT)网络兼容的公共通信协议。这种扩展包括端到端解决方案，包括开关、阀门、电缆和传感器，这些解决方案由众多组织合作开发，以最有效的协议实现协调OT和IT操作所需的变化。

虽然以太网已经在工业市场中获得了份额，并且可以以各种形式使用，但在以太网还不能满足应用需求的地方，非以太网协议仍然占主导地位。这种多协议场景继续增加遗留环境的成本和复杂性，包括为这种不同环境服务所需的多协议经验丰富的安装和维护人员。

随着越来越多的制造和工业设备和设备的连接，OT网络已经成为以太网和传统现场总线协议的组合。在新安装的节点方面，最近的研究得出结论，工业以太网在2018年首次超过了传统现场总线，并且这一进展仍在继续。工业以太网继续以20%的稳定增长率增长，目前占全球市场的65%，增长8%。在全球范围内，Profinet是最大的工业以太网网络，市场份额为18%，紧随其后的是Ethernet /IP，市场份额为17%

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SPE的功能增加了对全以太网网络解决方案的承诺。网络的进步使得组织更容易实施和管理网络。单一协议网络将提供数据透明度并提高安全性，工业物联网的增长及其与企业信息系统以及工业流程无缝连接的需求将推动以太网平台的融合。

最初的单对IEEE 803cg -2019标准于2020年初公布，当时推出了支持SPE应用的设备芯片。减少了用于通信的对数量，可以减少电缆和连接器的尺寸，同时该技术在单个连接中为边缘设备提供电力和数据。IP20 SPE连接器是一种小尺寸模块，占地面积只有RJ45端口的一半，具有积极的闩锁连接安全连接。集成的电源和数据消除了对本地电池或电源的需求，节省了变压器和电路保护，同时缩短了安装时间，简化了维护。

与符合TIA-568A/B标准的4对端子电缆相比，lc型连接器现场端子单对电缆快速简单。使用普通工具，技术人员可以在4对终止的一半时间内完成SPE终止。它还采用了18 AWG电缆，提供更轻，更小的电缆。SPE连接器终端将更不容易出错，从而最大限度地减少返工。考虑到重量和尺寸的减小，更多的电缆可以拉在一起，简化了实施。

SPE对远程设备的数据和功率的重要性怎么强调都不为过。IEEE 802.3bu标准提供了通过SPE连接的远程直流电源，称为数据线供电(power over Data Line, PoDL)。PoDL类似于标准以太网的以太网供电(PoE)技术，后者正在改变智能建筑电气和数据通信基础设施。

SPE的另一个优点是可以重用现有的有线媒体。许多工厂和工厂都有传统的单对双绞线，可以作为SPE电缆介质重复使用，但必须经过认证。例如，许多正在使用或冗余的RS-485电缆是18 AWG规格，使其成为新电缆运行的可行替代方案。电缆将需要进行测试，以确保它们满足10BASE-T1L链路传输的TIA-568.5标准的电气性能。

Panduit公司研发高级首席工程师、以太网联盟单对以太网小组委员会主席Bob Voss最近表示，单对以太网的能力及其支持工业和制造业中经过验证的运营技术拓扑的能力正在为组织带来真正的价值。

在SPE环境上的整合减少或消除了非以太网的挑战，同时扩展了以太网和基于ip的网络的优势。以太网网络速度更快，提供了诸如时间敏感网络(TSN)和软件定义网络(SDN)等增强技术。虽然四对以太网已经很好地支持更高级别的工业网络，但对于许多低价值的边缘设备来说，它并不具有成本效益。SPE旨在成为合适价格点的解决方案，为价格敏感的IIoT设备的更广泛实现提供入门级。目前使用RS-485串行通信的系统可以升级，只需对介质进行少许更改，从而将其引入以太网。

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SPE提供了更高的带宽，允许在边缘处实现更高的数据速率，传输速度可达10mbps，传输速度可达1000米。考虑一下基于RS-485的传统协议，在同样的1000米内，链路速度只有31.2kbps——快了300倍。

SPE的便利性、成本和相对的功能性为工业环境中的SPE迁移或增量部署提供了低成本的访问。技术成本与将数据捕获功能扩展到多个边缘设备相一致，而以前的访问成本过高。

SPE的早期应用包括连接以下内容:

• 用于危险和不太严重的过程自动化环境的仪表设备。
• 滑块和机器I/O块到OT网络。
• 机上设备到机上或小区工业网络交换机。
• 工业网络的现场传感器和执行器可以点对点切换，也可以通过结构化电缆链路通道切换，两者的长度都可达1公里，远远超过目前100米的限制。
• 现场设备以菊花链方式与嵌入式2通道开关连接。
• 远程I/O模块彼此、网络交换机或控制器。
• 面板内设备通过多滴拓扑(10BASE-T1S)通过单根电缆连接在一起。

工业物联网的扩展依赖于具有成本效益的技术，再加上廉价的传感器来驱动规模。大批量自动化产品可能会首先改变，而专门的传统协议设备将需要更长的时间来取代。一旦组织了解了他们可以从SPE中获得的市场优势，相关设备的实现将显著增加，这反过来将降低网络的复杂性，因为它收敛到以太网上。

SPE有望成为制造商和工业工厂实现以下目标的关键技术:

• 实现从云到边缘可见的无缝网络。
• 增加边缘带宽以实现高级诊断。
• 通过消除协议转换网关简化边缘网络。
• 改造和简化直流控制电源基础设施。
• 通过扩展制造业IT防御深度技术来改善网络安全。
• 连接微型物联网和其他受限制的设备。
• 降低OT网络的总拥有成本(TCO)

SPE是制造商和工业厂房设施的变革性技术。对于制造业和其他细分市场，如轨道交通和楼宇自动化，也将在接下来的几年内开始采用SPE网络。

本文最初发表于欧洲控制工程网站．由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程、《媒体,cvavra@cfemedia.com．

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