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工业应用中单对以太网的发展
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工业应用中单对以太网的发展

2021-09-02 09:51:01 来源:深圳市连接器行业协会 李亦平编译 作者:Guadalupe Chalas

【哔哥哔特导读】单对以太网(SPE)将以高达1千兆/秒(Gb/s)的速度彻底改变工业应用。然而,与工业RJ45和其他标准产品相比,关于标准化和SPE的好处仍存在问题。

单对以太网(SPE)将以高达1千兆/秒(Gb/s)的速度彻底改变工业应用。然而,与工业RJ45和其他标准产品相比,关于标准化和SPE的好处仍存在问题。

工业应用中单对以太网的发展

Phoenix Contact的SPE Type 5 和Type 2连接器

SPE使用单对线路实现每秒10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s的传输速度,并允许点对点和多点通信。10Mb/s的传输距离可达1000米,SPE最终将互联网协议带到现场设备上。可以通过现有M8和M12接口的单线对实现全双工通信,功率可达50W。

在较短的距离,比如40米,SPE是一个具有高速性能的小型解决方案。由于SPE使用一对数据传输,可以为现场设备提供足够的电力,而不需要专门电缆,它是一种在现场实现工业以太网的替代方案,该以太网包括现场可用连接器。

此外,SPE从现有的工业协议中进行升级,因为它能够在更长距离上实现更高的全双工通信速度。一些传统通信技术只允许在更低速度和更短距离下进行半双工通信。当我们查看标准中定义的工业级SPE,并将其与现有的工业以太网和其他工业协议进行比较时,我们发现SPE是一种适合未来的解决方案,可应用于各个领域,以及到云的高速通信。

单对以太网规范

工业应用中单对以太网的发展

IEC 63171规范说明

国际电工委员会(IEC)已根据IEC63171发布了屏蔽和非屏蔽SPE连接器的各种标准。这些标准都针对行业制造商提出的、旨在针对特定市场细分解决方案的SPE。因此,来自基本标准IEC63171有六种不同的规格,它们涵盖了用于平衡单对数据和电力传输的圆形或矩形连接器。表1详细说明了IEC连接器规格的状态。

工业应用中单对以太网的发展

IEC 63171 单对以太网界面

Type 2、 Type 5、Type 6和Type 7已被确定为适用于工业应用。Type 2 和Type 5(图2)满足对机械稳健性、振动、EMC兼容性和各种污染程度的要求。在区分连接器变体的特性中,值得一提的是,Type 2 和Type 5连接器是列表中唯一具有一致匹配面的规范,对于IP20和IP67是可互操作的。

Type 2 连接器也比Type 6 连接器紧凑约38%,比标准和工业RJ45紧凑约50%。Type 2还具有可用于IP20工业SPE应用的最小接口,允许高密度,能够在单个M12外壳中容纳四个Type 2连接器(图3)。

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Phoenix Contact的 M12 上SPE界面

电气和电子工程师协会(IEEE)也在研究单对以太网的规范,与IEC不同,IEEE没有指定连接器接口。如IEEE网站所述,SPE的IEEE的范围是指定物理层和管理参数,以及单个双绞线铜电缆的相关电源传输,包括IEEE802.3cg 10 Mb/s (10Base-T1)、100Mb/s(100Base-T1)和1Gb/s(1000Base-T1)的IEEE802.3bp。目前,IEEE正在通过工作组IEEE802.3da来增强更多应用的10Base-t1规范。随着许多工业应用开始从传统的非以太网网络过渡到以太网,其目标是定义更大的拓扑结构。

随着使用传统连接器和协议的非以太网开始迁移到以太网中,IEEE还致力于解决10Mb/sSPE的两种不同配置。10Base-T1L距离,最长1000米,10Base-T1S最短距离为50米,可能有16个节点。这些规范还解决了电力通过数据线(PoDL)对远程和短期应用的功率等级要求。

SPE 和RJ45有什么不同?

目前市场上可用的标准以太网解决方案可以支持10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s,通常使用RJ45接口,称为10Base-T(传统)、100Base-TX和1000Base-T。RJ45接口由用于全双工通信的四极或八极触点组成。10Mb/s和100Mb/s的变化,被称为快速以太网,我们使用了两对:一对用于传输,另一对用于接收。Gb/s变体,称为千兆以太网,共使用四对,每对用于传输和接收。

像Type 2或Type 5这样的工业SPE解决方案也可以支持10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s以太网,但与快速千兆以太网不同,它可以使用单对配置。Type 5连接器可在M8或M12外壳中使用,其入口防护等级为IP67,具有工业应用所需的机械稳健性和可靠性,也称为M3I3C3E3。虽然市场上有M12接口内的快速以太网解决方案和M8外壳上的快速以太网,但SPE是第一个在M8和M12外壳上启用千兆以太网的解决方案,有可能在一个M12内有多个SPE端口(最多四个)。

工业应用中单对以太网的发展

左图:RJ45放在菲尼克斯电气的Type 2插头旁边。右图:菲尼克斯电气的Type 2 IP20 (第一行)和Type 5 IP67(第二行)连接器解决方案。

SPE是一种对千兆以太网更紧凑的解决方案,在两种速度上使用比标准解决方案更少的布线,可以节省成本和更短的终止时间。此外,SPE工业接口也被指定用于较慢的速度(10Mb/s)。这对于那些不需要快速以太网速度,但切换到互联网协议中的设备是非常理想的。

单对以太网:升级现有的工业应用

除了市场上标准的工业以太网解决方案外,其他工业应用的协议也可以从SPE部署中获益。IO-Link 和 PROFINET都是工业应用中将数字现场设备连接到控制器的通信标准。

IO-Link在未屏蔽的三线电缆上工作,使用M5、M8和M12连接器,在不超过20米距离的速度高达321Kb/s。另一方面,前端使用两对100Base-TX用于数据传输,在超过100米的距离上速度可达100Mb/s。图5显示了具有M8外壳的 IO-Link, PROFINET,和SPE电缆之间的比较。

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Phoenix Contact的IO-Link, PROFINET和SPE 线缆

SPE支持单个连接器解决方案中广泛的速度范围,因此它是对IO-Link, PROFINET,和其他工业通信标准的理想升级方案。具体来说,10Mb/s SPE可以达到更长的距离(高达1km)和更少的布线(两根电线)。同样,1Gb/s SPE有潜力升级100Base-TX PROFINET ,提供更高的传输速度。

随着应用领域开始过渡到以太网协议,现场设备继续需要增加传输容量,SPE可以通过简单的双线接口提供快速千兆以太网,使从现场到云实现以太网变得更容易。我们已经看到最终用户、供应商、系统集成商和组件制造商聚在一起发布规范(IEC、IEEE),这些规范针对其特定市场领域的SPE。这种合作和伙伴关系突出了单对以太网对工业应用的重要性。

SPE在高速通信上具有优势,并允许使用标准的工业级外壳,能够承受最恶劣的环境。这些因素使SPE成为具有单一连接器接口的低速和高速协议的理想升级方案。

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