单对以太网技术对工业物联网的好处

传统上，以太网从公司级别通过操作和流程级别一直流行到控制级别。然而，由于这里有大量的设备，现场级大多通过各种总线系统连接，这使得使用以太网的成本过高。

随着单对以太网(SPE)技术开始成形，这种情况似乎将发生改变。除了通过以太网传输数据外，SPE还可以通过数据线供电(PODL)通过单对铜线同时为终端设备供电，为工业以太网开辟了新的可能性和应用领域。

最近，工业应用中单对以太网(SPE)接口的国际标准IEC 63171-6已经发布，该标准已被纳入ISO/IEC 11801-x系列结构化布线标准的当前SPE布线标准。在ISO/IEC 11801文件中SPE的实现非常重要，因为它描述了与环境相关的所有必要参数(长度、连接数量、带宽和完整的传输参数集)的布线通道，因此可以在安装后进行计量验证。为了了解更多，控制工程欧洲向SPE工业合作伙伴网络成员提出了以下问题:

问:SPE预计将在流程和制造工厂中如何以及在哪里提供现有工业以太网基础设施的替代方案，您预计它将对工业物联网(IIoT)的增长产生什么影响?

浩亭(Harting)技术编辑乔纳斯•迪克曼(Jonas Diekmann):SPE不会取代现有的8线多对以太网电缆，后者在今天的办公和控制设备中无处不在。相反，它有可能用一种通信标准-以太网取代现场级使用的混乱的现场总线协议。

工业物联网等趋势带来了预测性维护能力，这需要大量额外的传感器来提供数据。以太网是正确的标准，SPE是正确的基础设施，以节省空间、财务和资源的方式实现这一想法。简而言之，SPE将为工业物联网提供基础设施。

Nigel Broad，英国PMM电缆PMM连接总监(NB):虽然以太网，特别是工业以太网，在工业自动化的时间关键型应用中已经越来越被接受，但替代技术通常仍用于连接传感器和执行器。这意味着在基于以太网的控制级别和字段级别之间有一个中断。在大多数情况下，这里仍然使用现场总线系统甚至模拟系统，这就是SPE发挥作用的地方，它具有各种优势。例如，从基于4对电缆的以太网的控制级到字段级的转换不需要对以太网数据包的内容进行任何更改。一个简单的媒体转换器使得到SPE的转换成为可能。从通信协议和其他软件的角度来看，这种透明性使得通过笔记本电脑配置传感器成为可能，而不管其地理位置如何。即使是具有更新选项的复杂传感器也可以轻松集成，并且错误诊断也更容易和更准确。

Uwe Widman, Belden Deutschland (UW)的技术和标准化:现有的以太网网络基础设施可以使用100米的屏蔽双绞线以太网电缆进行点对点通信，带宽通常为100 MHz (CAT 5)或500 MHz (CAT 6A)。有限的传输距离以及以太网端口和组件的高成本一直是以太网在现场级采用的障碍。

SPE作为IEEE 802.3 g的一部分，其带宽为20 MHz，传输距离可达1000米，并且能够根据IEEE 802.3bu (PODL)传输数据和电力，现在可以为危险地区的过程工业提供以太网访问。结合PODL, SPE有能力取代过程工业中现有的现场总线基础设施。此外，IEEE 802.3 g使得使用无屏蔽双绞线实现高达25米的点对点连接成为可能。

然而，过程工业只是SPE可以取代现有现场总线系统的一个领域——由于传输速率为10 Mb/秒，它可以取代许多数据速率为9.6kb/秒到10 Mb/秒、距离超过100米的现场总线系统。

IO-Link标准在自动化市场上广泛使用，目前限制数据速率为230kb /秒，传输距离为20米。然而，现在正在进行一项关于SPE集成的概念研究，以将这两种技术的优点纳入IO-Link规范。

随着工业数字化的不断发展，各种新的应用领域也不断出现。新型现场设备，具有更高的功能，更简单的电缆和连接器快速连接技术;小型化方面取得进展，这是一种具有成本效益的组件基础设施;结合TSN技术，SPE满足了在过程和自动化领域创建成功的IIoT模型的要求。

问:在现有工厂采用新技术的障碍是什么?这些工厂通常有大量的遗留系统

JD:在未来，现场级设备将需要配备新的接口、磁性和芯片。由于这种更新过程可以逐步进行，因此不需要立即改变一切。设备和用户可以逐渐转换并连接到以太网。因此，实施极有可能在通常的结构更新过程中进行。

如果您考虑到现场总线系统目前仍占40%左右的市场份额，并且这些系统在未来可能被SPE所取代，那么其潜力就变得显而易见了。在大量应用程序投入生产之前，还需要两年的时间。良好的市场渗透预计将在大约5年内发生，而SPE可能需要10年才能成为该领域的主导标准。

注:SPE技术与TSN一起引入工业领域，使工业部门有机会在精度和准确度方面实现飞跃。最大的障碍将是组件将不得不改变，整个主动和通常也是被动的基础设施将需要适应。在网络产品、硬件和软件都可用之前，真正的好处是无法获得的。然而，这些障碍应该用不了多久就会被清除。

UW:随着IEEE 802.3 SPE标准和未来通用电缆、电缆和连接器的IEC标准的发布，SPE为成功奠定了基础。如果新的SPE技术和现有的“遗留技术”之间的接口可用，那么使用相关的现场总线系统将快速突破现有的遗留系统。成功的关键因素包括小型化;重量减轻，连接简单。

问:你能给那些考虑将他们的领域级别转换为SPE的控制工程师们什么建议?

JD:作为一种新的物理层，SPE首次提供了将以太网以一种节省空间和成本的方式连接到现场级别的每个传感器的可能性。使用TCP/IP协议，所有参与者都可以被识别出来，而TSN协议(也可以与SPE一起使用)允许传感器实时传输数据。重要的是，工程师现在就开始为这种变化制定计划。

注:目前控制层和现场层之间的技术断裂，使这种网络的运行和管理变得不必要的复杂。对字段级别的完整回顾是开始的地方。高级物理层(APL)工作组认为10 Base-T1L标准非常适合将Profinet或以太网/IP扩展到现场级。这些是自动化和控制领域中的常见网络。由于电缆的物理要求，以太网以前不适合在危险地区使用。SPE技术与单对电缆的结合使用将实现10mbit /s的传输速率，段长可达1000米。由于SPE允许PODL，这意味着可以从网络为传感器供电。

华盛顿大学:网络系统哲学很重要。考虑从现场到边缘再到云的所有事情。Belden认为SPE是以太网基础设施的另一个元素。SPE技术将由IEEE 802.3进一步发展，国际标准化组织和用户组织将把该技术纳入其规范。使用APL技术，第一个用于进程级别的IEEE 802.3 SPE标准已经可用。一定要在未来的网络基础设施中考虑SPE，并在遗留技术接口可用的棕地扩展中使用它。

本文最初发表于欧洲控制工程的网站。编辑:Keagan Gay，数字媒体和制作协调员，CFE媒体，kgay@cfemedia.com

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