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Single Pair Ethernet(单对以太网)—— 未来的连接技术:简洁且贯通的通信

Smart To X
2024-08-19

    单对以太网(SPE)有能力使最后几米的连接更加可持续和智能。制造商有充分的理由将 SPE 作为其测量技术的通信介质。所需的连接技术来自PhoenixContact。

   

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    “我们可以更好地利用带有单对以太网的智能传感器”,Smart X S100 产品经理 Ralf Schmidt 说,“通过SPE,我可以传输更多的传感器数据,这具有真正的附加价值。” 更多的数据是从中获取有益信息的基础。如果一个 4 - 20mA 的传感器只传输一个裸露的电流值 —— 例如作为温度的等效值,那么这种可能性就不存在。产品经理对SPE连接最终能够在一个系统中无间隙地分配传感器信息这一事实感到非常兴奋。产品经理看到了自动化金字塔内难以克服的楼层界限。“我们认为跨所有层次的连续性是 Smart X S100 的一大优势。” 此外,由于数据和能量通过两条电线传输 —— 数据线供电(PoDL),可以节省电缆。基本上,SPE 提供了从 ERP 级别到现场级别传感器和执行器的连续通信的机会。“而且这一切都没有媒体中断”,Schmidt 强调,因为传感器在所有级别上都基于以太网协议进行连续通信。

    SPE 使 Smart X   公司提供的传感器的安装快速而简单 —— 无需网关或复杂的接口编程。

    SPE 的支持者认为以太网的连续性对于生产中提高可持续性至关重要。其好处主要来自于新的可能性,这些可能性简化了故障查找,并通过收集状态信息实现了基于状态的维护。这一切最终都带来了一系列优势,最终提高了 OEE(整体设备效率)—— 即整体设备可用性。相应地,与基于云的服务的链接也变得更容易。

    以 SPE 对抗工业通信中其他协议(如 IO-LINK, CC-LINK LT, AS-Interface等):这种好处是否会导致在传感器级别选择连接技术的观念转变?根据Schmidt的经验,机器和设备制造商的客户期望仍然明显受到价格的驱动。在设备规划中,测量链的预算受到严格限制。“问题是,一个测量链的成本应该是多少,以及 SPE 连接的额外价格有多高。” 在标准化招标过程中,很难展示连续以太网架构的决定性论据。因此,对 OEE 作为投资决策重要指标的积极影响最好在直接接触中进行论证。



    融合网络是需求

   


    具有 SPE 的传输技术是迈向融合网络的重要一步。例如,时间敏感网络(TSN)主要是为功能安全或运动控制中的时间关键任务而设计的,而 5G 用于需要移动网络的应用。对于免许可证的无线传输技术领域的 WLAN 6 和 7,情况也是如此。“单对以太网SPE非常适合用于最后几米的通信”,Schmidt说。所有技术的括号是融合以太网网络 —— 工业通信的统一世界。如果自动化、电气工程以及设备和机械工程领域的参与者能够走上这条道路,那么具有行业特定发展的现场总线战争将最终成为过去。



    1000米,10MBit/s



    机会是有利的。这一切都得到了来自消费市场标准通信的一般传输性能的支持。例如,作为空间有限的机器,SPE在长达 1000 米的线路长度上达到 10MBit/s 的传输速率。相比之下,例如 I/O-Link,最大线路长度为20米,仅提供 230.4kBit/s。尽管I/O-Link 无疑显着简化了传感器的连接,但对于耦合部门内的未来任务,数据传输不再足够。

    说到未来,特别是在年轻一代的专业人员中,朝着融合以太网网络的方向有明确的定位。“数字原生代 —— 由于他们的印记和历史,不太理解为什么我们在工业自动化中运行如此多不同的系统”,Schmidt说。目标必须是更多地问自己,传感器能够做什么,以及它在自己的测量范围之外还能够为高效和节约资源的设备运行做什么。“我们在这里看到了未来的巨大潜力”。

   

    插头解决方案在IP67


    安装、连接 —— 完成:凭借 SPE 连接性,安装Smart X   公司提供的传感器很简单,并且由于以太网层而无需网关或复杂的接口编程。为了在实际应用中实现SPE的 1000 米传输距离而不受限制衰减的目标,Phoenix Contact开发的连接采用 M12 尺寸构建。“在M8版本中,我们没有足够的空间来连接用于 1000 米距离的 AWG18 的两线数据电缆”。连接本身的设计注重坚固性。J

   

    传感器的新可能性


    通过 SPE 连接传感器为将额外的测量量纳入通信开辟了道路。此外,出现了将传感器直接连接到云的新可能性,因为设备在功能上已经拥有网关,因此不再需要其他网关。这节省了组件和实际资金。例如用于温度、湿度和 CO2 的 SPE 多传感器典型应用领域包括敏感存储空间的监控、一般监测任务以及围绕操作和员工安全主题的要求苛刻的任务。



    SPE的发展前景:

  • 得到消费市场标准通信传输性能的支持,在工业自动化中有广泛应用的潜力。

  • 年轻一代专业人员对融合以太网网络有明确的定位,有利于 SPE 的推广和发展。

  • 随着技术的进步和应用需求的增加,SPE 在传感器通信领域的优势将更加明显,有望在未来的工业自动化中发挥重要作用。


   SPE技术在工业自动化领域的应用案例


案例一:智能工厂的设备联网


在一家现代化的汽车制造工厂中,采用了 SPE 技术来连接生产线上的各种传感器、执行器和控制设备。例如,用于监测机器人手臂运动状态的传感器通过 SPE 与中央控制系统进行高速、稳定的数据传输。这使得工厂能够实时获取精确的生产数据,及时发现潜在的故障,并进行预测性维护,从而大大提高了生产效率和产品质量。



案例二:石油化工行业的远程监控

在一个大型的石油化工厂,SPE 技术被应用于远程监控系统。分布在广阔厂区内的压力传感器、温度传感器和流量传感器通过 SPE 网络将数据传输到中央控制室。即使在恶劣的工业环境中,SPE 依然能够保证数据的可靠传输,使操作人员能够远程监控生产过程,及时调整工艺参数,确保生产的安全和稳定运行。



案例三:物流自动化中的货物追踪

在一个大型物流中心,SPE 技术用于货物追踪系统。安装在货物运输设备上的定位传感器和识别标签通过 SPE 与管理系统连接,实时提供货物的位置和状态信息。这有助于优化物流路径,提高货物处理效率,减少货物丢失和延误的情况发生。



案例四:电力行业的智能电网

在智能电网中,SPE 技术用于连接智能电表和电力监控设备。能够实现快速、准确的数据采集和传输,支持实时的电力监测和需求响应,提高电网的稳定性和能源利用效率。



这些案例充分展示了 SPE 技术在工业自动化领域的广泛应用和重要价值,为实现高效、智能的工业生产提供了有力支持。



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            SPE 技术与其他一些常见工业自动化技术相比的优缺点:



  • 与传统以太网相比

    • 优点

      • 节省布线成本和空间SPE 只需一对铜线即可进行以太网数据传输,而传统百兆以太网需要两对铜线,千兆以太网需要四对铜线。这在大规模工业部署中,能显著减少线缆数量、重量和布线空间,降低成本,特别是在空间受限的环境中优势明显 1

      • 支持数据线供电(PoDL)可通过同一对铜线为终端设备供电,减少了额外供电线路的需求,简化了设备安装和维护,提高了系统的可靠性和灵活性 12


    • 缺点

      • 传输距离有限:相比传统以太网,SPE 的传输距离可能相对较短,可能需要使用中继器或其他设备来扩展传输范围。

      • 数据传输速率受限:虽然 SPE 能满足许多工业自动化应用的需求,但在一些对超高数据传输速率有极致要求的场景下,可能不如更高速的以太网技术。



  • 与现场总线技术相比

    • 优点

      • 更高的带宽和通用性:SPE 基于以太网技术,具有较高的带宽,能够支持更大量的数据传输和更复杂的通信协议,可满足工业自动化中日益增长的对数据传输速度和容量的需求。同时,以太网是广泛应用的标准,具有更好的通用性和互操作性,更容易与其他基于以太网的系统集成 。

      • 易于扩展和升级:以太网技术发展成熟,在扩展性和升级方面具有优势。随着技术的发展,可以方便地升级到更高的速度和性能,以适应不断变化的工业自动化需求。


    • 缺点

      • 实时性和确定性稍逊部分现场总线技术在实时性和确定性方面经过专门优化,能确保关键控制数据的实时、可靠传输,在一些对实时性要求极高的工业控制场景(如运动控制、高精度同步控制等)中,SPE 可能需要采取额外的措施来满足实时性要求。

      • 抗干扰能力可能较弱:在某些恶劣的工业环境中,现场总线可能具有更强的抗干扰能力,而 SPE 可能需要更复杂的屏蔽和抗干扰措施来保证数据传输的稳定性。












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