单对以太网：从传感器到云端的一致设备通信
- 来源：千家网
- 2024/10/16 10:11:38
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对以太网(Single Pair Ethernet，SPE)可通过单线对进行以太网传输，确保传感器的连接经济高效且节省空间。直至现场级别的基于 IP 的一致通信成为可能。除了数据传输之外，单对以太网技术还允许通过 PoDL(数据线供电)同时为终端设备供电。
单对以太网满足统一网络基础设施的要求，这是工业 4.0 和工业物联网 (IIoT) 的基础。
单对以太网到底是什么？
经典以太网已经连接了自动化金字塔中的所有上层，但通常不适合连接最低现场层。安装通常过于复杂或最大距离不够。此时，SPE 技术决定性地扩展了经典以太网的性能配置。
单对以太网是物理层的另一种形式。以前，快速以太网 (100 Mbps) 传输需要两根双线，千兆位以太网则需要四根双线，而单对以太网只需一根线对(单对)即可实现数据传输。这为直接从现场连接紧凑型设备、传感器和执行器开辟了新的机会。不再需要额外的子系统或网关来实现这一点。因此，SPE 是针对许多当前和未来应用的轻量且节省材料的以太网增强功能。
具有基于以太网的通信的面向未来的网络基础设施
与现有解决方案直接比较时，采用 TCP/IP 和时间敏感网络 (TSN) 的以太网可实现实时数据传输，且数据传输速率显着提高。对于单对以太网，这也可以通过来自现场级的数据实现。最先进的传输技术可确保从传感器到云的以太网通信节省空间且经济高效。通过传输协议、布线和设备组件的定义标准实现通用兼容性，使得 SPE 在各种应用中的大规模使用成为可能。
通过单双线进行数据传输允许继续使用现有的两线电缆基础设施(电缆共享)。特别是，这大大节省了材料的使用，同时减少了所需的布线量，并确保易于集成。该技术可用于范围长达 1000 米、数据速率高达 10 Gbps 和功率高达 50 W 的应用。SPE 网络可以采用星形或线形拓扑进行设置。该技术满足面向未来的网络基础设施的要求。
单对以太网技术特点
单对以太网标准
不同的标准和规范规定着 SPE 技术的各个方面，从以太网接口、布线到数据传输。 SPE 标准在 IEEE 802.3 中定义。该标准描述了通过一对线进行基于以太网的数据传输的技术框架。差异在于传输速率和距离。 IEC 63171 描述了这些 SPE 标准的兼容连接器。
传输路径
单对以太网起源于汽车行业。目标是实现高效、统一的基础设施，以尽可能少的布线提供高性能。类似的要求也适用于其他行业的应用。然而，在许多应用中，100 米作为经典以太网的最大连接长度根本不够。符合 IEEE 802.3cg 的 SPE 标准 10BASE-T1L 可显着延长传输距离。该标准定义了单线对的数据布线，传输距离可达1000米。
传输长度为1000米时，传输速率可达10Mbps或1Gbps，传输长度为40米。即使对于现场最复杂的传感器组件来说，这些传输速率也足够了。这意味着SPE接口可以普遍用于工业应用。
PoDL – 数据线供电
除了通过以太网传输数据外，SPE技术还可以实现终端设备的同步供电。通过数据线供电 (PoDL)，可以传输高达 50 W 的有效输出。
IEEE 802.3bu 和 IEEE 802.3cg 标准中描述了各种性能等级。利用这项技术，可以通过用于数据传输的电缆为最远1000米外的传感器或执行器供电。这最大限度地减少了现场布线所需的安装工作量和空间。
PoDL 性能类别
单对以太网应用
SPE 非常适合工业 4.0、楼宇、工厂和过程自动化中的各种应用。 SPE 技术可以轻松集成到现有的以太网基础设施中，无论其使用环境如何。就资源节约型、小型化设备的趋势而言，单对以太网由于节省空间的电缆而为您的电子设备提供了更多的空间。
汽车行业
SPE这种节省空间的技术非常适合汽车行业的应用。只需一根双绞线即可实现 10 Mbps 至 1 Gbps 的传输速率，最大电缆长度为 15 米(非屏蔽)或 40 米(屏蔽)，非常适合用于车辆线束。此外，还有许多新的 SPE 标准正在开发中，预计将使数据传输速率达到 10 Gbps 甚至更高。因此，在新一代车辆中，SPE 将取代 CAN、MOST、FlexRay 和其他总线系统。安全功能、控制和通信通过以太网统一运行。这是联网或自动驾驶的重要先决条件。
工业行业
传感器集成在所有制造领域都发挥着关键作用。SPE 可靠地将传感器、执行器和现场设备集成到现有的以太网环境中。这意味着可以将必要的数据和过程信息直接传输到控制层或云端进行分析。与现场总线协议相反，以太网可用于自动化的每个层级。无需额外的网关或接口。减少到单线对也简化了传感器在机器或系统中的布线。系统的构建、操作和维护变得更加高效和经济高效。
过程行业
以太网 APL 可在过程应用的防爆区域中实现现场设备和传感器的直接双线以太网连接。高级物理层 (APL) 使用 IEEE 802.3cg 的 10BASE-T1-L 标准以及 IEC TS 60079-47, 2021-03 (2-WISE) 标准(2-WISE = 双线本质安全以太网)，并支持包括本质安全在内的防爆方法。可以在潜在爆炸区域使用，并且可以以 10 Mbps 的速度桥接长达 1000 米的远距离。新的通信基础设施确保在过程工业中一致使用以太网。
楼宇自动化
联网建筑可确保高效率、更高的安全性和额外的便利功能。通过使用端到端 IP 协议，传感器、开关和恒温器等可以通过本地数据网络和云连接到建筑管理系统。一致的 SPE 布线取代了现有的现场总线系统、复杂的接口和网关。还可以选择重复使用现有的双线电缆基础设施，例如网络电缆。这使得安装和调试变得非常容易。
总结
以太网技术近年来在速度、可靠性和应用范围上取得了显著进展，特别是10GbE、25GbE及更高带宽标准的普及，推动了数据中心、边缘计算和智能建筑的广泛应用。未来，随着5G、AI和物联网(IoT)的发展，以太网将在支持超高速数据传输、低延迟网络和更高能效方面继续发挥关键作用。PoE(以太网供电)等技术的发展还将促进以太网在智能楼宇和工业自动化中的应用，为万物互联的未来奠定基础。
同样，单对以太网(SPE)技术近年来迅速发展，成为工业物联网(IIoT)、汽车和智能楼宇等领域的关键推动力。SPE通过一对铜线传输数据和电力，简化了布线结构，降低了成本，并提升了设备连接的灵活性。其低功耗和长传输距离的特性，使其特别适用于传感器、控制器等低带宽设备的连接。未来，SPE有望在智能制造、自动驾驶以及更广泛的物联网应用中扮演重要角色，推动万物互联的发展。
常见问题
1、使用SPE支持的传输速度是多少？
当今可用的以太网技术只需一对线对即可为应用提供高达 10 Gbps 的传输速度。
2、为什么要使用SPE?
借助 SPE 基础设施，可以减少数据布线，避免从现场到云端的介质故障以及设备故障。还可以建立具有一致以太网结构的网络，这样就不再需要网关了。此外，使用 SPE 布线更简单，更省时，因为只需连接两根电线。10Base-T1L 标准支持范围高达 1000 米的以太网布线。
3、SPE有哪些标准？
SPE 标准定义在 IEEE 802.3 中。目前有五种不同的标准，传输速度和距离各不相同，并且已经超出范围。进一步的标准正在讨论中。
4、SPE支持传输电力吗？
是的，通过 PoDL(数据线供电)标准可以传输高达 50 W 的功率。各种性能等级在 IEEE 802.3bu 和 IEEE 802.3cg 标准中有描述。
5、现有的电缆基础设施该如何处理？
可以想象，如果现有的电缆基础设施满足要求，可以使用它们进行 SPE。SPE 电缆在标准 IEC 61156-1x 中定义。
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