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单对以太网SPE能否解决工业网络连接问题?2022-04-16

来源:电子发烧友网 • 作者:李宁远

具有先进传感功能和控制功能的连接设备在工业应用中可以说是越来越普遍,在这些设备的互联过程中,工业互联这一概念开始兴起。不管是有线连接还是无线连接,提高自动化效率成了重中之重。传感设备、控制设备的高密度自然会导致互连的增加,不可否认的是虽然工业无线网络可以在一定程度上解决一些互连挑战,但工业无线网络通常需要某种类型的物理连接,并且无线网络并非适用于所有工业环境。

单对以太网(SPE)在工业场景崛起

在上面所说的互连中,一个以太网连接可能需要多条用于快速100 Mbps以太网的导线,甚至需要Gbps以太网导线。复杂,成本高昂,而且并不能确保传感器收集的信息能及时地进行交换这些弊端都不符合工业互联的预期。

单对以太网技术是一种能够在短距离内达到1Gb/s的连接速度,并进行双向通信的技术。起初这项连接技术在汽车内应用得很广泛,根据IEEE 802.3的传输标准,单对以太网技术已经集成到新一代汽车中并取代了CAN和其他总线系统。该技术能够将控制、通信以及各类其他安全功能统一集中到以太网上运行,这正好是工业自动化互联所需要的。

工业场景引入单对以太网最直接的驱动因素是满足应用程序对高效双向通信的需求,1Gb/s的连接速度使双向通信可以实现设备到基础设施和设备到云的实时安全连接。且不说单对以太网在成本和易用性上的特点,光是其对传感数据分析的增强和对错误环节响应速度的加快就已经足够具有吸引力。

单对以太网优势何在?

首先我们已经没有必要拿单对以太网对标在工业场景中不具备普适性的无线连接,在与其他有线连接的比较中,单对以太网在相同的紧凑接口中提供数据线(PoDL)供电,只使用两根线缆即可完成对数据和电力的传输。传统的有线连接是四根线缆,更少的线缆意味着更低的成本,意味着机械设备有了更充分的自由度。从一个更刁钻的角度来说,线缆Cu含量的减少是不是也意味着能用更少的能量实现更快的传输。这么看来,成本这笔账,怎么算都不会亏。

上面说到单对以太网能够在短距离内达到1Gb/s的连接速度,其电缆长度可以达到1000米,传输速度10MB/s,进行数据通信时单对以太网使用600MHz的带宽。通信传输优势很明显,无须赘述。我们关注的是,单对以太网连接其中一个端子用于1Gbps/600MHz的数据传输,另一个支持电流高达8A的电力传输。这种将数据与电源混合连接必须要做到金属屏蔽分离,以避免功率信号与数据信号的干扰。

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(SPE技术,SPE联盟)

总的来看,这种技术使连接器整体尺寸变小,减少了很多终端的工作量。单对以太网将以太网降低到传感器执行器级别,并将传感器执行器直接连接到自动化系统或云端,对于工业互联是极大的帮助。

单对以太网的PoDL问题

上面提到了紧凑接口中的数据线供电(PoDL),PoDL另一个作用是改善了远距离电力传输的低效。目前标准的单对以太网数据连接能达到50W,混合电源数据连接功率在48V时能高达400W。这里会出现一个问题,高功率水平可能会使PoDL偏离标准。对于绝大部分电气设备,可以接受10%的电压降,对于PoDL来说,这个值最大可以到20%。在对PoDL线束进行的功率测试中,这种情况下40米的线缆长度会使功率接近200W,当线缆小于20米时,高功率水平达到400W。为了避免PoDL不偏离标准,通常不会使用这个最大值。

使用PoDL会让数据线束和功率线束组合在同一线缆上,这样的设置虽然完成了数据与电力的同时输送,但有一个缺点,它对噪声和功率水平的变化速率有严格的要求,否则会影响数据传输。因此在工业环境中使用良好的滤波器电路来抑制这种噪声格外重要,尤其是在较低的兆赫兹范围内产生的噪声(见下图)。

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(噪声测试,TE)

小结

单对以太网给了整个工业网络一个实现协议标准化的契机。为什么这么说呢,考虑到工业设备里数量庞大的传感器和执行器,虽然以太网是很多工业网络的标准,但在工业现实场景里各种系统层出不穷,一系列的传统网关多到数不胜数。单对以太网在弥合以太网和其他各类系统上的作用,是业界对其性能优势之外更感兴趣的地方。