在工业网络中,以太网最初从企业级、运营级、过程级一直延伸到控制级。自动化金字塔的最终层级——现场级,传统上是通过各种总线系统连接的。造成这种情况的原因之一是现场级分支密集且设备数量庞大。生产工厂中成千上万的传感器和执行器必须通过由电缆组成的庞大外围设备进行连接。总而言之,这需要大量的布线,成本也相当高昂。此外,还需要网关和转换器来转换不同系统之间的数据。
近年来,对更高效的现场级基础设施的需求显著增长。越来越多的传感器需要总线系统无法提供的传输速度。同时,现有的以太网基础设施对于大多数现场应用来说过于昂贵、庞大且冗余。这体现在电缆、连接器和设备组件等各个方面。因此,需要一种轻薄、轻便且功能强大的以太网基础设施,以帮助工业在现场级实现数字化,从而迈向工业物联网 (IIoT)。而这正是 SPE 的用武之地。
业界正积极寻求利用这种细线缆的优势。在自动化领域,SPE 技术能够实现现场设备、传感器/执行器技术等的无缝连接。现场系统变得更加智能,从而减少了参数化、初始化和编程所需的工作量。系统构建、运行和维护也变得更加高效且经济。以太网首次实现了从云端到现场的高效通信。SPE
技术应用于机器、机器人或铁路系统,还有助于减轻重量、节省空间。所有线缆的布线都变得更加简单,安装速度也更快。
工业物联网以太网
基础设施使每个现场参与者都具备了智能化能力。借助 TSN(时间敏感网络),它们还能实现实时运行,因此可用于安全相关的布线。与总线系统不同,显著更高的数据传输速率也使得未来能够经济高效地连接数据量巨大的传感器,例如用于识别和定位的摄像头视觉系统。此前,此类传感器必须使用 8 线以太网基础设施单独连接到现场。而借助 SPE,每个传感器都可以统一连接到互联网。符合 ISO/IEC 11801-X 标准的 T1 工业设备接口和 SPE 电缆构成了现场级 SPE 的标准化基础设施。它与传统的总线基础设施一样精细,但在数据传输速度和同时传输功率方面却强大得多。每个小型传感器都成为了工业物联网中智能化的参与者。
SPE 能否取代现有的以太网基础设施?
恐怕不能。就其目前的开发和标准化阶段而言,SPE 的传输速率仅为 1 Gbit/s,传输距离也仅为 40 米。而 8 线以太网的传输距离可达 100 米。此外,还需要转换大量的接口和设备,这完全没有必要。以太网只需一对线缆即可传输数据,因此在空间和重量方面具有显著优势。例如,在铁路行业,以太网的应用就包括减轻重量,从而带来巨大的潜在成本节约。
以太网在自动化领域的重要性日益凸显,并正被更广泛地接受为一种通用传输介质。另一方面,总线系统却在稳步衰落。正是在总线领域,从控制层到现场层,SPE 总线系统将会失去市场份额。符合 IEC 63171-6 标准的工业级 T1 型小型化 SPE 接口,配合纤细的 SPE 电缆,可以高效地连接到现场的每个传感器和执行器。
通过标准保障安全
IEC 63171-6 特殊接口行业标准
IEC 63171-6 于 2020 年初发布,是全球首个被主要标准机构采纳的工业应用 SPE 连接标准。该标准最初于 2016 年推出,内容全面,包含了所有必要的规范和测试程序,确保了简单可靠的实施。
布线标准 ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 和 TIA42 - 实现完全兼容性
为了确保端到端连接的安全性,所有基础设施组件(包括电缆)都必须符合统一的标准。
这些布线标准为用户提供了布线结构、用于实现性能目标的布线组件以及布线验证限值等信息。因此,它们是配置和调试 SPE 布线最重要的工具。同时,它们通过引用组件标准(例如,符合 IEC 63171-6 的连接器)来确保设备和电缆之间的兼容性。这种兼容性是基于SPE的网络和连接正常运行的基本前提,也是物联网/工业物联网的基础。原则上可以使用不符合ISO/IEC 11801-3 Amd.1等标准的线缆组件,但这不再符合标准,并会带来不兼容和功能损失的风险。ISO
/IEC JTC 1/SC 25/WG 3和TIA42于2018年初启动了国际遴选流程,以定义统一的接口。这两个遴选流程部分是由IEEE 802.3发起的,IEEE 802.3要求ISO/IEC和TIA推荐SPE MDI(SPE设备接口)。
超过20个国家专家委员会参与了此次遴选流程。最终,两种对接面脱颖而出:
一种是用于构建布线(M1I1C1E1)的对接面,符合IEC 63171-1标准:
该对接面基于CommScope公司的方案;
对于工业和工业相关应用(M2I2C2E2 和 M3I3C3E3),配合面符合 IEC 63171-6(以前称为 IEC 61076-3-125):
此配合面基于 HARTING T1 Industrial 的提案。
IEEE 802.3
以太网协议标准定义了通过单对线缆进行以太网传输的技术框架。这是一个拥有引领发展趋势权威的关键委员会。没有统一的协议,就没有开放标准。为了支持标准化组件在整体以太网系统中的交互,IEEE 802.3 遵循 ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 和 TIA42 关于统一 SPE 接口的建议,并推荐 T1 工业标准(IEC 63171-6)作为工业应用的标准 SPE 接口。
