尽管物联网对于消费类设备中的外行最为可见，但IIoT规模巨大。大部分物联网应用都在商业、工厂和医疗保健环境中……在近6万亿美元的物联网市场中，超过三分之一应用场景在制造业。

连接性是所有这些IIoT的基础——提供控件、设备、机器和云所需的电源和数据传输，以执行IIoT功能。当前的主要趋势包括边缘计算以及云连接服务——具有无线通信的组件;基于以太网的网络;开源编程;统一开发环境(UDE)形式的软件，可实现大规模互操作性;以及标准化的协议、电缆和连接器选项。

在本文中，我们仅深入探讨了两个对当今的运动控制系统至关重要的支持IIoT的连接标准——不起眼的M12连接器以及以太网供电(PoE)。然后，我们将简要介绍第三项相关标准，即单对以太网或SPE的另一项标准，以简化自动化。

M12和M8连接器

常见的运动组件

我们以NAPP-14步进电机上带有X编码的M12连接器为例，生产厂家是Applied Motion Products，它具有闭环电流控制。这些电机可以采用以太网供电(PoE)连接。

过去，获取足够的能量来为PoE上的电动机供电非常具有挑战性，但是现在，由于工业以太网交换机采用了更高功率的IEEE标准，这种情况正在改变。实际上，802.3at(PoE +)标准可以为连接设备提供30 W的功率——足以在全功率下运行NEMA-14步进电机。

我们将在本文的下一部分中介绍PoE。但是，为什么在此步进电机上使用M12连接器?以及“X编码”的含义是什么?

回想一下，M8、M12以及连接器是圆形电缆终端，可将自动化设备安全地连接到较大的系统以及常见的现场总线网络。与以往的硬接线设计相比，它们大大缩短了安装时间，甚至可以消除雇用电工来安装自动化机械的需要。

图1.

以太网标准无处不在——一直到其RJ45插座连接器。尽管这些RJ45插座中的变压器很常见，但在坚固的M12连接器中却很少见。现在，浩亭M12 Magnetics包含了带有变压器的M12插座，从而避免了需要在连接电路板的插座旁边放置电气组件的问题。这样可以节省空间和成本，并提高可靠性：不必将导线布置在许多不同的组件上，就可以使导线更轻，更直接。另外，这些连接器比不同制造商生产的插座和变压器的组合更可靠。 M12 Magnetics接口能够提供10Gbit和最大PoE +，以实现可靠的电源和数据传输。

现在，很难想象先设计自动化系统布线，后考虑电缆组和连接器：毕竟，所有传感器和执行器都必须通过预连接的布线进行硬接线，而且常常是无护套的。这些导体要求电工将它们通过导管插入控制装置中。如果某些组件发生故障，则必须断开所有组件接线并拔出，然后由电工重新接线。在启动前还需要专家测试接线错误的风险。

护套电缆上的M8和M12连接器避免了这些复杂的程序。这些连接器的起源可以追溯到1982年发布的专有7⁄8英寸三引脚连接器，该连接器带有一个称为连接螺母的自由旋转外壳。就像当今的大多数M8和M12连接器一样，该设计的外部连接螺母拧紧在设备和设备的公插座上，以实现电缆导体的最大可靠性连接以及对灰尘和流体的机械屏蔽。几年后，M12连接器问世，并迅速成为主要标准。M12名称是指该连接器连接螺母的标准公制M12螺纹(直径12 mm)。较小的M8连接器(几年后于1989年问世)也因其连接螺母的公制螺纹而得名，也就是外径为8 mm的较粗M8螺纹。

如今，M8连接器将工业传感器的执行器、开关、PLC和I / O连接到各种自动化系统。相比之下，M12连接器被广泛用于工厂自动化，测试和测量，食品和饮料以及机器人应用中。它们带有三个或四个引脚(如在市场上的初始版本一样，后者用于高级传感器和执行器)以及5个、6个、8个或12个引脚。它们在经受冲洗和腐蚀性物质影响的恶劣环境中表现出色。实际上，具有IP65、IP67IP68和IP69K防护等级的M12连接器相当普遍。这些连接器即使浸入水中也能保持水密性。这就是它们在食品和饮料，橡胶和塑料以及纺织和印刷应用中如此普遍的原因之一。

图2.Encoder产品公司MA58H绝对值编码器是重型多圈空心孔绝对值编码器。它们的工作温度范围为-40°C至85°C，并且在轴上的防护等级为IP65，其余部分的防护等级为IP67。 注意标准M12连接器的编码器顶部的螺纹连接。

大多数传感器和电源应用都需要3引脚和4引脚M12布置。PROFINET和以太网使用4引脚和8引脚计数，而大多数CANbus和DeviceNet连接使用4引脚和5引脚计数。某些信号传输模式需要12个引脚。

图3.M8和M12连接器被汽车行业首次采用，是硬接线或依靠更精密的连接器类型的更好替代方案。如今，它们已用于所有自动化行业。此处显示了Encoder Products 的MA58H绝对编码器的两个M12连接器。

M12连接器编码是一个标准化的配合和屏蔽几何形状的系统，以确保正确应用连接器类型的许多变体。例如，X编码连接器(在我们的步进电机PoE示例中已在前面提到)是一种更新的8引脚选件，可以满足CAT6A对10 Gb / 秒数据传输的要求。其他通用密钥(编码)的变化是：

l 编码的M12连接器，用于传感器、直流电源和1 Gbit以太网

l B编码的PROFIBUS M12连接器

l C编码(双键槽)M12连接器，用于为执行器和传感器提供交流电源

l 用于100 Mbit以太网的D编码4引脚M12连接器

l 用于交流电源的S编码M12连接器(代替C编码连接)

l T编码的M12连接器(最终将取代A编码的连接器)用于直流电源

A、B和D连接器最为流行，因为它们是原始的M12连接器变体。也就是说，X编码连接器在高速工业以太网中越来越普遍，并且正在取代用于以太网应用的A和D编码M12连接器。其他更新的M12连接器包括用于交流电源的K编码连接器和用于PROFINET直流电源的L编码连接器。

M12连接器(直角和直角)的设计符合IEC 61076-2-101的标准。带有M12连接器的PVC和PUR护套电缆对均适用;多种选择可实现完全定制电线。选项包括屏蔽和非屏蔽电缆和连接器;铠装电缆;以及不锈钢连接螺母和其他元件。

另一个标准化连接——以太网供电(PoE)

以太网供电(PoE)是采用双绞线Cat5e、Cat6和Cat6a以太网导体来传输数据(对信号噪声的防护等级不断提高)以及电力的标准化网络配置。

图4. LAPP的伺服反馈电缆称为ETHERLINE SERVO DQ FD P Cat.5e电缆可与开放式SIEMENS DRIVE-CLiQ系统接口配合使用，用于SIEMENS SINAMICS-S120驱动系统。85%的铜编织覆盖率可确保电磁兼容性。

PoE版本由IEEE定义，包括用于10、100和1000 Mb /秒的数据传输以及电力传输的版本：

l 对于IEEE 802.3af Type 1设备为15 W

l 对于IEEE 802.3at Type 2设备为30 W

l 对于IEEE 802.3bt Type 3设备为60 W

l 对于IEEE 802.3bt Type 4设备为90 W

2003年左右的IEEE 802.3af和更新的802.3at(PoE +)标准以及更高功率的802.3bt标准(包括60W“超”UPoE)都控制了此类连接功能的电缆和组件的细节。因此PoE主要与传感器/摄像机和其他反馈设备相关联。但是，由于其具备为执行器供电的能力，802.3at PoE +(以及从PoE +供电的所谓2类设备)目前在运动控制领域中被采用得最快。上述的802.3at标准特别适用于中等大小的运动控制应用，因为其功率足以为运动轴致动中使用的电动机(在此情况下为PoE供电的设备或PD)提供全功率的功率的系统。

图5.设备中可配置的Opto 22 groov RIO I / O通过有线交换机和传感器连接到以太网、软件和云平台来支持IIoT功能。I / O可省去PLC、PAC或PC交流传感器数据，并且可以在没有电源的情况下安装在危险的地方——因为以太网供电(PoE)同时提供了电源和数据连接。

图6.无需交流电源是在设备最远处连接PoE的另一个好处。此外，PoE组件通过在系统交换机之间组件的连接和断开连接的物理重新配置(与硬接线的麻烦形成鲜明对比)，从而赋予IIoT功能，以补充当今UDE和其他软件实现的可重新配置性。

需要注意以下几点：对于PoE系统中的每个交换机或集线器，都有一个功率预算——交换机的瓦数除以使用的端口数。此外，任何具有非PoE组件的安装(以及用于单独的电源和数据导体的设置)都需要两个子组件之一：

注入器：通常用于将PoE现场设备添加到现有系统的设置中，这些设备通过现有的非POE交换机向符合PoE的组件供电，以接受数据。实际上，PoE注入器是购买新交换机以适应功率需求适中的PoE组件的一种经济高效的选择。

分离器：将功率和数据分离到单独的导体，从可以跟不符合PoE的组件进行连接。

最后一个警告：没有补充的PoE只能在给定的交换机或集线器上延伸超过100 m的信号，并且在具有许多PoE设备的安装中可能需要补偿性电源以及(数据信号)扩展器。

图7.

LAPP的以太网访问PROFINET开关可通过Web界面进行配置。它们在长距离需要高传输速率的地方提供帮助，且具有RJ45端口以及用于光纤电缆和快速千兆以太网的小型可插拔(SFP)端口。

有些将光纤的光信号转换为100 Mbit /秒或1 Gbit / 秒的电信号以及单模或多模传输。否则，该线路中的ETHERLINE ACCESS U04TP01T交换机(加固型用于安装近场设备)具有四个带以太网供电(PoE)的RJ45端口和一个用于快速以太网的端口。

回想一下，非托管以太网交换机是现场设备连接的经济有效点。它们通常可以像冗余电源输入一样工作，并支持智能设备的即插即用功能。相比之下，受管理的以太网交换机会主动监视网络及其流量并对其进行故障排除，并充当其他接口的访问点以及工厂人员来调查和调整机器设置。

另一个新标准——单对以太网(SPE)

到目前为止，我们已经详细介绍了标准的四对(八芯)以太网用于数据连接和相对较新的PoE的使用。现在，另一种称为单对以太网(SPE)的以太网标准旨在超越市场上的现场总线，以简化和改善现场设备和控件的连接，并发挥端到端工业以太网协议的潜力。

SPE解决了上述标准以太网100 m的限制，并有可能达到1 km的运行距离，这可能在大型工厂或自动设置中非常有用。SPE电缆的直径(和重量)也大约是传统以太网电缆的四分之一，在机器的各部分设备之间间隔非常紧密的情况下，这可能非常有用。 SPE由IEEE 802.3cg 10 Mb /秒标准定义，无法达到标准的四对以太网数据速率，尽管在工业设置中如此有用的1 Gb /秒是可能的，并且SPE维护了所有IEEE的内置数据安全性802.3标准。

请注意，PoE和SPE并不互斥：SPE可以通过数据线供电(PoDL)设置中的现有PoE标准来传输功率和数据。功率分配技术引脚对10 Mb /秒双绞线导体进行了标准化，其功率可与IEEE 802.3af 15-W标准及以后的功率相媲美。

图8.一种称为单对以太网(SPE)的较新的以太网标准旨在取代业界对现场总线的混杂，以简化和改善现场设备和控件的连接性，并发挥端到端工业以太网协议的潜力。较高的传输速率和较长的电缆长度补充了数据线(PoDL)操作的功率。