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工业以太网的进步扩大了连接器在各行各业的价值
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工业以太网的进步扩大了连接器在各行各业的价值

2021-08-04 09:24:37 来源:连接器世界网 作者:《Automation World》高级技术作家David Miller

【哔哥哔特导读】以太网越来越成为工业网络的首选,尤其是在离散制造领域。

不久前,许多人怀疑工业以太网能否取代工厂车间的传统现场总线。在EtherCAT、EtherNet/IP 和Profinet等确定性以太网通信协议兴起之前,以太网根本无法适应复杂运动控制应用所要求的极快循环时间,这些应用通常需要在内部进行控制回路更新。仅几毫秒的空档即可正常运行。然而,随着这些问题的解决,以太网越来越成为工业网络的首选,尤其是在离散制造领域。

根据PI North America执行董事Michael Bowne的说法,现在每售出一个Profibus节点,就售出四个Profinet节点;而就在十年前,这些数字颠倒过来的了。

尽管对工业以太网网络的偏好增加,但许多现场总线安装依旧保留着,特别是在向以太网转变更具挑战性的过程工业中。其原因之一是:在石油和天然气行业常见的大型户外环境中通常需要更长的电缆线路。由于典型的工业以太网的最大长度被限制在100米,以防止信号衰减,这可能会带来问题。此外,由于许多过程工业应用发生在被国家电气规范分类为危险地带的领域,因此必须采取需要特定专业知识的昂贵安全措施,以确保以太网电缆和连接器不会点燃火焰。

以太网物理层的最新创新——开放系统互连(OSI)模型的第一层,一个用于描述网络系统各种功能的概念框架——可能有助于克服这些障碍。

单对以太网 (SPE) 和以太网高级物理层 (APL) 是目前引领工业以太网进一步扩展的两项以太网创新,它们都带来了各种潜在的好处。简而言之,SPE是一种使用单对双绞线的以太网形式,而其他形式的以太网使用两对或三对。类似地,APL 是一种SPE与IEC 60079两线本质安全以太网(2-WISE)相结合,能够与早已存在的现场总线A类电缆一起部署,用于危险环境。虽然区别似乎很小,但许多业内人士称赞这一发展对工业网络部署具有重大影响。

“当我们从现场总线转向工业以太网时,这与工厂自动化所发生的步骤变化相同,”Bowne说,“我们从中获得的所有好处,同样也会发生在过程控制中。”

图1.SPE使用单对双绞线,而不像其他形式的工业以太网使用的是两对或三对。

SPE:单对以太网

SPE拥有的多种品质使其非常适合在过程工业环境中使用。

首先,它的最大长度为1000 米——是以前工业以太网形式的10倍。也就是说,没有一些权衡就无法完成此扩展。SPE的通信速度为10 Mbit/秒,而四线和八线以太网的速度可以达到从100 Mbit/秒到10 Gbit/秒。尽管如此,相比最大通信速度为31.25 Kbit/s的现场总线和最大通信速度为1200 bit/s的HART来说,这仍然是有显著的改进。

通过这种方式,SPE代表了传统现场总线和其他形式的工业以太网之间的一种中间地带。菲尼克斯电气高级工程师Guadalupe Chalas表示,虽然现场总线目前可能无法提供能够充分利用配备物联网 (IoT)设备产生的大量数据的数据传输速度,但四线和八线以太网可能提供了超出必要的数据传输速度。

“对于这些现场设备,需要更长的电缆距离,但带宽需要较小。因此,如果专门讨论带宽,没有必要将100 Mbit/s的标准以太网连接放在只需要8或10 Mbit/s的设备上。这会被过度设计,”Chalas 说,“在这种情况下,将在不需要的应用上使用昂贵的连接。”

此外,SPE还更换了大多数以太网电缆固有的RJ45连接器。SPE的连接器不仅更坚固,更适合恶劣的工业条件,而且它们明显更小,并且与现有传感器和其他现场仪器上常见的端口相匹配。

Harting标准开发技术经理McKenzie Reed说:“确保更大的互操作性,是标准组织朝着这个方向前进的首要原因。RJ45是一种沿袭到工业市场的商业产品,SPE标准组织正在投入大量时间和注意力来避免再次发生,因为RJ45连接器在工业环境中使用时存在质量、兼容性和性能问题。”

最后,SPE支持数据线供电 (PoDL),它能够通过传输数据的同一对双绞线传输高达50瓦的功率。据Reed称,这可用于为现场的小型传感器和其他形式的简单仪器供电,使最终用户能够通过省去二次电源,进一步降低成本。

APL:高级物理层

APL是指一种安装架构,可用于为危险环境中的应用提供本质安全的SPE。这是根据IEC技术规范2-WISE实现的,该规范定义了多个功率级别的端口配置文件,以限制可能发生爆炸的区域中的电流流动。

根据ODVA总裁兼执行董事Al Beydoun的说法,虽然其他形式的工业以太网可用于危险环境,但它们需要采取额外的预防措施,例如安装机械电缆保护装置、使用必须使用适当计算确定的较短电缆线路,并在额外的机柜和外壳中屏蔽连接。通过消除这些需求,APL降低了成本,降低了复杂性,并在不影响安全性的情况下允许更长的电缆铺设。

图2.与其他形式的工业以太网相比,SPE和 APL对过程工业的主要优势之一是它们的电缆长度要长得多。

此外,APL旨在与预先存在的现场总线 A 类布线兼容,这可以显著简化采用过程。这是可能的,因为虽然APL是为了因应以太网电缆物理层的改变,但其增加的数据传输能力是由兼容设备的网络接口控制器(NIC)和物理收发器(PHY)实现的,而不是电缆本身。因此,在石油和天然气或废水管理等行业中,现有电缆可能被掩埋、包裹在混凝土中或其他难以到达的位置,可以通过更新设备和连接器轻松实现过渡,而无需拆除和更换它们整个布线基础设施。

更多适用于现代应用的数据

也许将SPE和APL引入过程工业应用的最大好处是能够将大量更丰富、更精细的数据从传感器和设备传输到更高级别的系统,因为与现场总线相比,以太网具有更大的带宽。

此外,现场总线仅提供半双工或单向通信,而SPE和APL与其他形式的工业以太网一样,是全双工的,这意味着它们可以同时向连接的设备传输数据或从连接的设备传输数据。借助此功能,可以实现在数字孪生和其他先进技术中使用的实时、持续可见性。

SPE和APL也是协议不可知的,这意味着它们可以与任何其他更高级别的工业以太网通信协议结合使用,允许自上而下的以太网使用,而无需网络网关或协议转换——这会增加成本和增加复杂。据Reed称,这也将使调试更容易管理,尤其是当新员工的现场总线专业知识减弱时。

然而,无处不在的采用不会在一夜之间发生,Belden工业以太网和电子电缆产品线经理Sri Senthamaraikannan说。由于设备必须使用适当的PHY制造才能与SPE和AP 兼容,因此部署可能需要三到五年的时间才能获得动力。也就是说,第一批SPE和APL兼容设备将于今年投入生产。

同样重要的是要注意,SPE和APL不是现有工业以太网形式的替代品,而是补充品,并且专门设计用于将以太网连接带入特定应用,尤其是过程工业中的应用。

“SPE 提供了许多好处,但它不会完全取代现有的四线或八线工业以太网,因为它仍然比 SPE具有强大的优势,例如更高的数据传输速率;但在特定应用中,SPE 肯定会成为一种具有成本效益的解决方案,在这些应用中它扮演着重要的角色,”Senthamaraikannan 说,“我们认为SPE是在过程控制环境中采用以太网的关键推动因素。”

图3.SPE和APL使用更小、更坚固的连接器,与之前的RJ45连接器相比,材料占用空间最多可减少80%。

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