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單對(duì)以太網(wǎng)SPE能否解決工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題？

發(fā)布時(shí)間：

2023-06-08

來(lái)源：電子發(fā)燒友網(wǎng) • 作者：李寧遠(yuǎn)

具有先進(jìn)傳感功能和控制功能的連接設(shè)備在工業(yè)應(yīng)用中可以說(shuō)是越來(lái)越普遍，在這些設(shè)備的互聯(lián)過(guò)程中，工業(yè)互聯(lián)這一概念開(kāi)始興起。不管是有線連接還是無(wú)線連接，提高自動(dòng)化效率成了重中之重。傳感設(shè)備、控制設(shè)備的高密度自然會(huì)導(dǎo)致互連的增加，不可否認(rèn)的是雖然工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以在一定程度上解決一些互連挑戰(zhàn)，但工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通常需要某種類(lèi)型的物理連接，并且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并非適用于所有工業(yè)環(huán)境。

單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）在工業(yè)場(chǎng)景崛起

在上面所說(shuō)的互連中，一個(gè)以太網(wǎng)連接可能需要多條用于快速100 Mbps以太網(wǎng)的導(dǎo)線，甚至需要Gbps以太網(wǎng)導(dǎo)線。復(fù)雜，成本高昂，而且并不能確保傳感器收集的信息能及時(shí)地進(jìn)行交換這些弊端都不符合工業(yè)互聯(lián)的預(yù)期。

單對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)是一種能夠在短距離內(nèi)達(dá)到1Gb/s的連接速度，并進(jìn)行雙向通信的技術(shù)。起初這項(xiàng)連接技術(shù)在汽車(chē)內(nèi)應(yīng)用得很廣泛，根據(jù)IEEE 802.3的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，單對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)集成到新一代汽車(chē)中并取代了CAN和其他總線系統(tǒng)。該技術(shù)能夠?qū)⒖刂?、通信以及各?lèi)其他安全功能統(tǒng)一集中到以太網(wǎng)上運(yùn)行，這正好是工業(yè)自動(dòng)化互聯(lián)所需要的。

工業(yè)場(chǎng)景引入單對(duì)以太網(wǎng)最直接的驅(qū)動(dòng)因素是滿(mǎn)足應(yīng)用程序?qū)Ω咝щp向通信的需求，1Gb/s的連接速度使雙向通信可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備到基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備到云的實(shí)時(shí)安全連接。且不說(shuō)單對(duì)以太網(wǎng)在成本和易用性上的特點(diǎn)，光是其對(duì)傳感數(shù)據(jù)分析的增強(qiáng)和對(duì)錯(cuò)誤環(huán)節(jié)響應(yīng)速度的加快就已經(jīng)足夠具有吸引力。

單對(duì)以太網(wǎng)優(yōu)勢(shì)何在？

首先我們已經(jīng)沒(méi)有必要拿單對(duì)以太網(wǎng)對(duì)標(biāo)在工業(yè)場(chǎng)景中不具備普適性的無(wú)線連接，在與其他有線連接的比較中，單對(duì)以太網(wǎng)在相同的緊湊接口中提供數(shù)據(jù)線（PoDL）供電，只使用兩根線纜即可完成對(duì)數(shù)據(jù)和電力的傳輸。傳統(tǒng)的有線連接是四根線纜，更少的線纜意味著更低的成本，意味著機(jī)械設(shè)備有了更充分的自由度。從一個(gè)更刁鉆的角度來(lái)說(shuō)，線纜Cu含量的減少是不是也意味著能用更少的能量實(shí)現(xiàn)更快的傳輸。這么看來(lái)，成本這筆賬，怎么算都不會(huì)虧。

上面說(shuō)到單對(duì)以太網(wǎng)能夠在短距離內(nèi)達(dá)到1Gb/s的連接速度，其電纜長(zhǎng)度可以達(dá)到1000米，傳輸速度10MB/s，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)單對(duì)以太網(wǎng)使用600MHz的帶寬。通信傳輸優(yōu)勢(shì)很明顯，無(wú)須贅述。我們關(guān)注的是，單對(duì)以太網(wǎng)連接其中一個(gè)端子用于1Gbps/600MHz的數(shù)據(jù)傳輸，另一個(gè)支持電流高達(dá)8A的電力傳輸。這種將數(shù)據(jù)與電源混合連接必須要做到金屬屏蔽分離，以避免功率信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)的干擾。

（SPE技術(shù)，SPE聯(lián)盟）

總的來(lái)看，這種技術(shù)使連接器整體尺寸變小，減少了很多終端的工作量。單對(duì)以太網(wǎng)將以太網(wǎng)降低到傳感器執(zhí)行器級(jí)別，并將傳感器執(zhí)行器直接連接到自動(dòng)化系統(tǒng)或云端，對(duì)于工業(yè)互聯(lián)是極大的幫助。

單對(duì)以太網(wǎng)的PoDL問(wèn)題

上面提到了緊湊接口中的數(shù)據(jù)線供電（PoDL），PoDL另一個(gè)作用是改善了遠(yuǎn)距離電力傳輸?shù)牡托?。目前?biāo)準(zhǔn)的單對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)連接能達(dá)到50W，混合電源數(shù)據(jù)連接功率在48V時(shí)能高達(dá)400W。這里會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，高功率水平可能會(huì)使PoDL偏離標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于絕大部分電氣設(shè)備，可以接受10%的電壓降，對(duì)于PoDL來(lái)說(shuō)，這個(gè)值最大可以到20%。在對(duì)PoDL線束進(jìn)行的功率測(cè)試中，這種情況下40米的線纜長(zhǎng)度會(huì)使功率接近200W，當(dāng)線纜小于20米時(shí)，高功率水平達(dá)到400W。為了避免PoDL不偏離標(biāo)準(zhǔn)，通常不會(huì)使用這個(gè)最大值。

使用PoDL會(huì)讓數(shù)據(jù)線束和功率線束組合在同一線纜上，這樣的設(shè)置雖然完成了數(shù)據(jù)與電力的同時(shí)輸送，但有一個(gè)缺點(diǎn)，它對(duì)噪聲和功率水平的變化速率有嚴(yán)格的要求，否則會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸。因此在工業(yè)環(huán)境中使用良好的濾波器電路來(lái)抑制這種噪聲格外重要，尤其是在較低的兆赫茲范圍內(nèi)產(chǎn)生的噪聲（見(jiàn)下圖）。

（噪聲測(cè)試，TE）

小結(jié)

單對(duì)以太網(wǎng)給了整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)一個(gè)實(shí)現(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的契機(jī)。為什么這么說(shuō)呢，考慮到工業(yè)設(shè)備里數(shù)量龐大的傳感器和執(zhí)行器，雖然以太網(wǎng)是很多工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，但在工業(yè)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景里各種系統(tǒng)層出不窮，一系列的傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)多到數(shù)不勝數(shù)。單對(duì)以太網(wǎng)在彌合以太網(wǎng)和其他各類(lèi)系統(tǒng)上的作用，是業(yè)界對(duì)其性能優(yōu)勢(shì)之外更感興趣的地方。

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