工业物联网中以太网技术(SPE)解决方案

随着工业4.0，即工业物联网（IIoT)的到来，智能互联的优势已经得到证明。然而，为了充分发挥工业元宇宙的优势，并充分实现传感器到云以太网无缝连接的愿景，必须解决关键的基础设施难题，对此单对以太网技术(SPE)提供了解决方案。

让我们审视一下元宇宙和工业物联网所处的生态系统。假设我们将元宇宙视为物理世界的数字孪生，那么它可以充当一个有用的练习场和测试实验室，工程师和产品开发人员可以在这里测试新设计的产品、制造策略、物流策略等更多内容所带来的影响。它允许我们对新产品或战略的影响进行详尽评估，帮助利益相关者了解其战略决策和方向，并大大减少从概念到实施所需的时间和成本。

另一方面，工业物联网在现实世界中发挥作用，允许实时收集数据，并从机器设备上共享到整个MES和ERP系统，以记录数据并将生产效率提高到以太网和互联网出现之前不可能达到的水平。理想情况下，元宇宙和工业物联网不会彼此独立运行，而是相互联系的。驻留在云服务器中的人工智能模型会影响工厂车间，帮助其做出一些实时决策，同时，来自工厂车间的数据可用于进一步完善上述人工智能模型和数字孪生，这有助于业界不断开发出能够越来越准确反映现实世界的数字模型。

有人可能会说，对由工业物联网和元宇宙组成的数字和人工智能模型做出最关键贡献的领域之一是传感技术领域。传感器好似眼睛、耳朵和手指，它通知MES系统何时执行命令，何时进行维护或流程改进，并向ERP系统报告生产能力。最终，元宇宙通过将数据输入报告并把预期结果和实际结果相比较，在一定程度上判断现实世界中功能模型的准确性。令人惊讶的是，当今工厂和过程自动化中使用的大多数传感器和执行器并不直接驻留在以太网上，而是驻留在非基于以太网的现场总线上。

 

现有工业网络存在的问题

在物流领域，人们越来越关注所谓的“最后一公里配送问题”。随着消费者对网购中次日交货能力的期望值不断提高，交货过程中的“最后一公里配送”被认为是令顾客满意并保持成本竞争力的最关键环节。在考虑产品从工厂到仓库、到送货卡车、再到客户家门口的旅程时，从仓库到客户家门口的旅程被认为是“最后一公里”旅程。最后一公里配送会受到配送路线距离、交通、施工情况和天气等因素的影响。另外，与交货过程的最后一步相关的时间和成本所占总成本的比率相当可观，估计占比在50%以上。

而工业以太网在工厂和过程自动化方面也面临着类似的挑战。基于TCP/IP的以太网技术通常用于连接云、ERP、MES、生产单元和机器级控制装置。然而，这些系统的传感器和执行器位于生态系统的最边缘，许多工厂仍然谨慎地通过布线把它们连接到另一个现场总线，然后通过网桥或网关在以太网上传输。最终用户需要额外的程序和硬件来支持这些现场总线，因而要负担所产生的额外费用，在某些情况下，这是实施智能技术的实际障碍。因此，可以合理地说，元宇宙和工业物联网存在着“最后一公里”的难题。

 

单对以太网可扭转乾坤

为解决这些问题，SPE工业合作伙伴网络于2019年成立。现在，该网络联盟拥有50多家成员公司（都是名副其实的布线和连接器供应商），其使命是将行业组织汇集在一起，以制定新的网络标准。                                                                                                                                                           

SPE是“单对以太网”的英文缩写。顾名思义，其关键创新是减少了布线，即：用一对双绞线代替原来的两对或四对。这种技术的明显好处是显著减轻了电缆重量并减小了电缆直径，电缆也明显更灵活，更容易布线。不仅如此，SPE还解决了工业网络的其它主要痛点：带宽、功率和覆盖范围问题。该技术支持在长达40米的单根电缆上传送速率高达1Gbps的信号，数据线供电（PoDL）功率高达50瓦。相比以往的技术，单对以太网技术使用数量更少的电线，传输更多数据并提供更大功率的电源。

不仅如此，SPE还可支持在1000米长的线路传输10Mbps速率的信号，线路长度比工业以太网长10倍。更重要的是，与插座相关的电子设备在尺寸上被优化，因此我们更容易将SPE端口置入狭小空间。该技术减少了线缆的数量，并使线缆具有供电功能，可实现连接器的小型化，因此消除了将传感器安装到以太网上的主要障碍之一，即，以前的电缆和连接器技术受到物理空间的限制。

基线布线系统名为T1 SPE IP20，具有坚固耐用的特点，性能符合IP20防护等级要求，工作温度范围是-40至+85摄氏度，可进行多达1000次的插拔。对于更恶劣的环境，可使用M12 T1 SPE IP67系统，该系统使用Molex莫仕设计的IP67防护等级连接器。

 

通往未来的发展蓝图

实施SPE的核心前提是标准化。为了避免早期工业网络发生的条块分割问题，SPE工业合作伙伴网络的50多个成员已承诺根据IEC 63171-6/-7来设计标准化配接面。该网络联盟还就如下标准积极与范围广泛的各标准化委员会合作：

IEEE 802.3-传输方法

IEC SC46C-对称铜缆

IEC SC 48B-连接器

ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3-接线

IEC SC65C-工业网络

ANSI/TIA TR042-布线系统

由于对标准化的高度关注，单对以太网有望成为工业4.0实施中的首选网络架构。跨越多个功能领域的工业自动化进步将变得更加容易和更具成本效益。传感器和执行器可以轻松融入现有以太网环境中，无需额外的接口。

它还允许将碎片化的传统网络合并到一个统一的基于以太网的解决方案中，从而实现更好的通信、更快的响应时间和更好的IT维护操作。

这种新产品可以更完美地连接到更多的物联网基础设施中，如智能传感器、阀门、执行器、驱动器、控制面板和其它过程自动化设备。潜在的行业应用场合包括建筑、工厂和工厂自动化、机器对机器通信、照明系统、电梯和自动扶梯控制以及机器人。

作为SPE工业合作伙伴网络的高级成员，Molex莫仕的SPE可在40米长的电缆上传送速率高达1Gbps的数据，未来的版本将在1公里长电缆上传送10Mbps速率数据。如今有了SPE系统，工业元宇宙的未来看上去比以往任何时候都更加光明和可期。

编辑：黄飞