单对以太网如何成为 IIoT 的 DNA

单对以太网（简称 SPE）是目前工业数据传输的大趋势之一。如果您想了解将数据布线减少到单线对的应用和优势，您必须了解以太网和工业自动化的历史。

作为一种非标准化的软件协议，以太网是在 20 世纪 70 年代开发的，用于在有线计算机网络（LAN 或局域网）中进行内部和本地有限的数据包传输。在接下来的二十年里，电气和电子工程师协会 (IEEE) 定义了软件协议和物理层——包括连接器和电缆等物理接口，并通过引入 802.4 等各种协议为现代互联网奠定了基础（令牌总线）、802.5（令牌环），最后是 802.11 无线局域网 (WLAN)。

通用语言

与此同时，电气自动化技术的使用增加推动了 20 世纪 80 年代现场总线技术的发展。基本思想是相同的：不同的通信参与者应该使用一个公共系统以有序的方式相互通信。然而，各种现场总线协议，如 Interbus、DeviceNet 和 Profibus，并未用于公司层面的计算机联网，而是将传感器和执行器串联或并联连接到控制和管理层面。

最终，两种传输协议的并行发展建立了今天仍然有效的自动化金字塔形式。最高级别代表本地有限的计算机网络，用于粗略和详细的生产计划。较低级别包括用于记录、控制和调节物理生产过程的信号、数据和电力传输（图 1）。

图 1：范式转变：SPE 颠覆了传统的自动化金字塔。（来源：菲尼克斯电气）

金字塔的形状主要来自不同层次的等级逻辑排列。然而，它也代表了以前有效的工业数据传输框架条件：通过以太网实现高传输速率和短距离传输，通过现场总线实现低传输速率和长距离传输。

天翻地覆

那么为什么要离题呢？工业以太网，尤其是单对以太网 (SPE) 正在颠覆这个自动化金字塔。随着基于以太网的协议（例如 EtherNet/IP、Profinet 或 EtherCAT）的发展，引入了从公司层到现场层的实时数据传输。

物理接口在电气方面变得更强大、更复杂，因为必须保护数据传输免受干扰，例如污垢、振动和电磁辐射。因此，连接技术制造商开发了特殊的 IP6x 保护以太网接口，以满足这些在现场级增加的要求。在企业和运营层面，IP20 解决方案对于自动化金字塔的顶端仍然足够。

二次方数据传输

到目前为止，标准化工作仅限于更高的数据速率和对布线技术的更高要求。这些要求由铜基布线类别中越来越高的性能等级定义。

单对以太网不再定义更高的带宽或传输距离，而是形成了减少布线以适应应用的规范框架。IEC 63171-2 (IP20) 和 IEC 63171-5 (IP67) 标准侧重于 10Mbps 至 100Mbps 的较低传输速率。仅需一对线的数据布线可实现长达 1000 米的传输距离（图 2）。因此，SPE 首次允许传统以太网不允许的应用领域和应用，例如过程中技术。对工厂运营商的好处：数据布线可以基于以太网协议连续进行，例如相同的接口，针式连接器模式可以在不同的环境中使用。

图 2：标准化：现场级和数据中心的数据传输速率相继标准化。（来源：菲尼克斯电气）

另一个优点是单对接口比两对或四对设备和电缆连接器要紧凑得多。因此，SPE 支持工业自动化、过程技术、楼宇自动化以及电信和基础设施应用中紧凑、分散设备的持续趋势。因此，SPE 可以将应用中立转变为工业物联网 (IIoT) 的 DNA。

新的 Pin 连接器模式，众所周知的可靠性

为确保所有接口的一致性兼容性，IEEE成立了工作组，对传输速率为10Mbps、100Mbps、1000Mbps的不同应用进行规范描述。已采用 10-Base-T1、100-Base-T1 和 1000-Base-T1 标准。

Phoenix Contact是相应接口标准化背后的主要推动力。与市场合作伙伴 Reichle & De-Massari 和 Weidmüller 一起，这家连接技术专家为单对和四对电缆开发了受保护和未受保护的插针连接器模式。MICE 模型描述了它们的机械强度（M1 或 M2/3）、IP 保护（I1 或 I2/3）、耐化学性和耐气候性（C1 或 C2/3）以及电磁安全性（E1 或 E2/3）。

紧凑的针脚连接器模式非常适合众多通信参与者的高效布线——通过单线对或四线对让四个参与者共享一条公共线路和接口（图 3）。由于采用通用接口，可以混合使用单对和四对布线概念以及 IP20 和 IP6x 解决方案。可能的应用是将八线布线概念拆分为四个单独的 SPE 串，用于四个不同的通信参与者，或者在八线设备接口中确定各个线对的尺寸。双线技术允许通过同一对电线（数据线供电或 PoDL）为输出功率高达 60 瓦的终端设备提供特定应用电源。

图 3：高效布线：单对和四对 MICE 接口用于布线 IP20 和 IP6x 应用。（来源：贸泽电子）

通信技术的未来

SPE 不能被视为独立于其他标准化工作的工业数据传输的大趋势。各种委员会和项目正在并行创建工业通信技术未来的基本框架。开放平台通信统一架构 (OPC UA)、时间敏感网络 (TSN) 和 5G 等新通信标准构成了从传感器通过机器和更高级别系统进入云的连续联网的基础。

新标准将在成本、数据吞吐量、延迟和确定性方面优于现有协议和接口。Phoenix Contact 活跃于所有相关的标准化委员会，在工业通信领域拥有超过 30 年的经验。目标：不亚于一个新的、独立于制造商的自动化通信标准。

如今，OPC UA 已成为工厂中的叠加通信标准。OPC UA 现在正在通过现场标准化应用配置文件进行扩展——用于 I/O、安全或驱动应用。此外，还为网络设备的统一配置和诊断定义了标准化设备模型（图 4）。

图 4：信息 (IT) 和操作技术 (OT)：新的通信标准构成了从传感器到机器以及更高级别系统到云的集成网络的基础。（来源：菲尼克斯电气）

概括

单对以太网 (SPE) 将企业级和操作级的 IP20 世界与控制级和现场级的 IP6x 世界连接起来，从而开辟了新的应用领域。目标是所有通信参与者基于相同的协议语言和统一的接口无缝连接。由于仅使用一对或四对单独的线对减少了布线，用户可以构建从传感器到控制和公司级别一直到云端的高效网络和布线结构。除了高达 1000Mbps 的数据速率外，SPE 布线还允许为终端设备提供高达 60W 的功率。

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