單對以太網(wǎng)SPE能否解決工業(yè)網(wǎng)絡連接問題？

具有先進傳感功能和控制功能的連接設備在工業(yè)應用中可以說是越來越普遍，在這些設備的互聯(lián)過程中，工業(yè)互聯(lián)這一概念開始興起。不管是有線連接還是無線連接，提高自動化效率成了重中之重。傳感設備、控制設備的高密度自然會導致互連的增加，不可否認的是雖然工業(yè)無線網(wǎng)絡可以在一定程度上解決一些互連挑戰(zhàn)，但工業(yè)無線網(wǎng)絡通常需要某種類型的物理連接，并且無線網(wǎng)絡并非適用于所有工業(yè)環(huán)境。

單對以太網(wǎng)（SPE）在工業(yè)場景崛起

在上面所說的互連中，一個以太網(wǎng)連接可能需要多條用于快速100 Mbps以太網(wǎng)的導線，甚至需要Gbps以太網(wǎng)導線。復雜，成本高昂，而且并不能確保傳感器收集的信息能及時地進行交換這些弊端都不符合工業(yè)互聯(lián)的預期。

單對以太網(wǎng)技術(shù)是一種能夠在短距離內(nèi)達到1Gb/s的連接速度，并進行雙向通信的技術(shù)。起初這項連接技術(shù)在汽車內(nèi)應用得很廣泛，根據(jù)IEEE 802.3的傳輸標準，單對以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)集成到新一代汽車中并取代了CAN和其他總線系統(tǒng)。該技術(shù)能夠?qū)⒖刂啤⑼ㄐ乓约案黝惼渌踩δ芙y(tǒng)一集中到以太網(wǎng)上運行，這正好是工業(yè)自動化互聯(lián)所需要的。

工業(yè)場景引入單對以太網(wǎng)最直接的驅(qū)動因素是滿足應用程序?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現(xiàn)設備到基礎設施和設備到云的實時安全連接。且不說單對以太網(wǎng)在成本和易用性上的特點，光是其對傳感數(shù)據(jù)分析的增強和對錯誤環(huán)節(jié)響應速度的加快就已經(jīng)足夠具有吸引力。

單對以太網(wǎng)優(yōu)勢何在？

首先我們已經(jīng)沒有必要拿單對以太網(wǎng)對標在工業(yè)場景中不具備普適性的無線連接，在與其他有線連接的比較中，單對以太網(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，意味著機械設備有了更充分的自由度。從一個更刁鉆的角度來說，線纜Cu含量的減少是不是也意味著能用更少的能量實現(xiàn)更快的傳輸。這么看來，成本這筆賬，怎么算都不會虧。

上面說到單對以太網(wǎng)能夠在短距離內(nèi)達到1Gb/s的連接速度，其電纜長度可以達到1000米，傳輸速度10MB/s，進行數(shù)據(jù)通信時單對以太網(wǎng)使用600MHz的帶寬。通信傳輸優(yōu)勢很明顯，無須贅述。我們關(guān)注的是，單對以太網(wǎng)連接其中一個端子用于1Gbps/600MHz的數(shù)據(jù)傳輸，另一個支持電流高達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，以避免功率信號與數(shù)據(jù)信號的干擾。

總的來看，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。單對以太網(wǎng)將以太網(wǎng)降低到傳感器執(zhí)行器級別，并將傳感器執(zhí)行器直接連接到自動化系統(tǒng)或云端，對于工業(yè)互聯(lián)是極大的幫助。

單對以太網(wǎng)的PoDL問題

上面提到了緊湊接口中的數(shù)據(jù)線供電（PoDL），PoDL另一個作用是改善了遠距離電力傳輸?shù)牡托АＤ壳皹藴实膯螌σ蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)連接能達到50W，混合電源數(shù)據(jù)連接功率在48V時能高達400W。這里會出現(xiàn)一個問題，高功率水平可能會使PoDL偏離標準。對于絕大部分電氣設備，可以接受10%的電壓降，對于PoDL來說，這個值最大可以到20%。在對PoDL線束進行的功率測試中，這種情況下40米的線纜長度會使功率接近200W，當線纜小于20米時，高功率水平達到400W。為了避免PoDL不偏離標準，通常不會使用這個最大值。

使用PoDL會讓數(shù)據(jù)線束和功率線束組合在同一線纜上，這樣的設置雖然完成了數(shù)據(jù)與電力的同時輸送，但有一個缺點，它對噪聲和功率水平的變化速率有嚴格的要求，否則會影響數(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（見下圖）。

小結(jié)

單對以太網(wǎng)給了整個工業(yè)網(wǎng)絡一個實現(xiàn)協(xié)議標準化的契機。為什么這么說呢，考慮到工業(yè)設備里數(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)絡的標準，但在工業(yè)現(xiàn)實場景里各種系統(tǒng)層出不窮，一系列的傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)多到數(shù)不勝數(shù)。單對以太網(wǎng)在彌合以太網(wǎng)和其他各類系統(tǒng)上的作用，是業(yè)界對其性能優(yōu)勢之外更感興趣的地方。