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單對以太網SPE能否解決工業網絡連接問題?2022-04-16

來源:電子發燒友網 ? 作者:李寧遠

具有先進傳感功能和控制功能的連接設備在工業應用中可以說是越來越普遍,在這些設備的互聯過程中,工業互聯這一概念開始興起。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無線網絡可以在一定程度上解決一些互連挑戰,但工業無線網絡通常需要某種類型的物理連接,并且無線網絡并非適用于所有工業環境。

單對以太網(SPE)在工業場景崛起

在上面所說的互連中,一個以太網連接可能需要多條用于快速100 Mbps以太網的導線,甚至需要Gbps以太網導線。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互聯的預期。

單對以太網技術是一種能夠在短距離內達到1Gb/s的連接速度,并進行雙向通信的技術。起初這項連接技術在汽車內應用得很廣泛,根據IEEE 802.3的傳輸標準,單對以太網技術已經集成到新一代汽車中并取代了CAN和其他總線系統。該技術能夠將控制、通信以及各類其他安全功能統一集中到以太網上運行,這正好是工業自動化互聯所需要的。

工業場景引入單對以太網最直接的驅動因素是滿足應用程序對高效雙向通信的需求,1Gb/s的連接速度使雙向通信可以實現設備到基礎設施和設備到云的實時安全連接。且不說單對以太網在成本和易用性上的特點,光是其對傳感數據分析的增強和對錯誤環節響應速度的加快就已經足夠具有吸引力。

單對以太網優勢何在?

首先我們已經沒有必要拿單對以太網對標在工業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,單對以太網在相同的緊湊接口中提供數據線(PoDL)供電,只使用兩根線纜即可完成對數據和電力的傳輸。傳統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能夠在短距離內達到1Gb/s的連接速度,其電纜長度可以達到1000米,傳輸速度10MB/s,進行數據通信時單對以太網使用600MHz的帶寬。通信傳輸優勢很明顯,無須贅述。我們關注的是,單對以太網連接其中一個端子用于1Gbps/600MHz的數據傳輸,另一個支持電流高達8A的電力傳輸。這種將數據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據信號的干擾。

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(SPE技術,SPE聯盟)

總的來看,這種技術使連接器整體尺寸變小,減少了很多終端的工作量。單對以太網將以太網降低到傳感器執行器級別,并將傳感器執行器直接連接到自動化系統或云端,對于工業互聯是極大的幫助。

單對以太網的PoDL問題

上面提到了緊湊接口中的數據線供電(PoDL),PoDL另一個作用是改善了遠距離電力傳輸的低效。目前標準的單對以太網數據連接能達到50W,混合電源數據連接功率在48V時能高達400W。這里會出現一個問題,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會讓數據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據與電力的同時輸送,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,否則會影響數據傳輸。因此在工業環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產生的噪聲(見下圖)。

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(噪聲測試,TE)

小結

單對以太網給了整個工業網絡一個實現協議標準化的契機。為什么這么說呢,考慮到工業設備里數量龐大的傳感器和執行器,雖然以太網是很多工業網絡的標準,但在工業現實場景里各種系統層出不窮,一系列的傳統網關多到數不勝數。單對以太網在彌合以太網和其他各類系統上的作用,是業界對其性能優勢之外更感興趣的地方。

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