连接——可持续自动化的支柱

作者：Dr. Matthias Laasch, laasch:tec technology editorial consulting

SPE、PoDL 和以太网 APL 等技术克服了工业通信的传统限制。先进的信号、数据和电力接口在此至关重要：它们能帮助自动化供应商节省生产设备联网时的资源和成本。

数字化和无缝数据网络使企业流程渗透到生产现场，这是自动化技术的一个持久趋势。其目标就是打造高度灵活的生产环境，可根据客户要求进行定制，以达到前所未有的多样化和生产率水平。为此，在“工业 4.0”的大背景下，制造业正在经历一场颠覆性的变革，而可持续利用所有可用资源则是其中最重要的一个方面。

从现场到云端的无缝连接

机器、产品以及最终与人之间的无缝连接是这一变革的特征，它正开始大规模穿透运营技术 (OT) 和信息技术 (IT) 之间的传统界限。如今，有了工业以太网技术，即使是现场层设备也能通过 TCP/IP 与公司的云数据基础设施实现宽带、低成本的无缝互联。与现场总线不同，工业以太网横跨自动化的各个层面——从现场设备到云端，端到端。因此，工厂和车间操作员可以实时访问设备数据，并将其用于生产规划、流程控制和数据分析。

例如，工业以太网可以实时采集和分析来自传感器、电源或驱动器的数据。通过临界点的温度变化或振动信息以及负载曲线，可以得出优化工艺参数的结论。当预计会出现过载情况时，它们会发出报警，并提示需要及早进行维护。在这方面，预测性维护尤为重要，因为它可以帮助操作员提高设备和机器的可用性，并最大限度地减少能源消耗和资源使用——这一方面降低了作业成本，另一方面也大大提升了工艺设备和工厂车间的可持续性。

坚固耐用的 RJ45 替代品

这些网络（尤其是工业以太网）的物理骨干器件是高性能互连技术，可在自动化网络的各个节点之间可靠地传输信号和数据。除了在工业应用中需要物理上的坚固性之外，这些解决方案如今还面临着许多新的挑战，如网络节点数巨大、微型化或高传输带宽挑战等。其中特别是要：外形小巧、减少安装和布线工作量、高信号完整性（即精确的电磁干扰屏蔽）以及长距离传输可靠性。后者在厂区扩大时尤为重要。使用数据连接器的设备对电源的要求也越来越高。

以太网通信的标准接口是广泛使用的 RJ45 连接器。用户经常报告触头或闭锁元件损坏的问题；RJ45 还因其尺寸而限制了其微型化。相比之下，德国供应商 [HARTING]的 [ix Industrial 接口]（图 1）等替代品体积更小，更加坚固耐用，尤其是抗冲击和抗振动能力更强。据制造商称，与标准 RJ45 相比，电路板上的空间最多可节省 70%。360° 屏蔽连接器专为 10 Gbit/s 以太网通信而设计，与 PoE（以太网供电）以及用于电力传输的 PoE+ 兼容。

图 1：比标准 RJ45 连接器更小、更坚固：HARTING 的工业以太网接口 ix Industrial。（图片来源：HARTING）

ix Industrial 是 HARTING 与日本连接器专家 [Hirose]共同开发的接口。其尺寸、电气性能和编码符合 IEC 61076-3-124 标准。其他制造商，如美国公司 [Amphenol Communications Solutions]，也提供了与 ix Industrial 性能相当的可互配产品：例如，[适用于恶劣环境]的防护等级为 IP65/66/67 的推拉式连接器、集成磁铁的 [ix Mag 连接器]（图 2），或带有斜角 RJ45 连接器的 [以太网转 RJ45 电缆组件]；它们同时提供 100Gb 以太网和 PoE/PoE+ 功能。

图 2：Amphenol ix Mag：最高 10 Gb/s 的以太网通信速度、360° 屏蔽和最高 90 W 的 PoE++（图片来源：Amphenol Communications Solutions）

ix Industrial 用例

下例说明了高性能、小型化以太网接口在工业 4.0 应用中的巨大潜力：

自动化专家 Beckhoff 的 XTS 线性传输系统是一种驱动解决方案，使用磁力驱动的移动装置沿着全集成的电机模块轨道移动。Beckhoff 认为，这些可实现单独运动曲线的独立控制装置是新机器概念的起点，可实现更灵活的制造流程（如设备换装），缩短了停机时间。

为了让移动装置遵循其运动模式，计算机必须不断计算各个电机模块的开关和电流供应。为此，总共可以将三块电脑板组合在一起，每块电脑板以前都有四个 RJ45 插座作为端口。为了在不改变系统尺寸的情况下，让更多的移动装置在最新一代的 XTS 系统中运行，RJ45 插座被 HARTING 的 ix Industrial 接口取代。可靠的屏蔽和高数据吞吐量在这里是主要要求。与 RJ45 不同，每个 ix Industrial 连接器可连接两个 100-Mbit/s 以太网。因此，在同一块电路板上可以安装八个而不是四个端口，每个端口可以安装两个而不是一个以太网通道。

因此，在三块计算机板上实现了 48 个端口，而不是 12 个端口。于是，采用最新一代的 XTS 系统后，每个单元可使用 48 条 XTS 线路，而不是 12 条，这相当于将运输系统的性能提高了 400%。

两线，而非四线或八线

当今工业自动化技术的一个显著特点是从层次架构向去中心化架构的转变。这些设备被认为是先进的，特别富有成效，而且还能提高网络安全性。这是因为智能传感器或边缘计算机等智能节点能够自主执行某些数据处理任务，从而减少了边缘和云之间的敏感数据流量。去中心化管理的优势不言而喻，但现场连接设备的数量正在大幅增加，布线和连接的工作量也在不断增加。从材料和安装工作量以及能源消耗的角度来看，经济地使用这些设备正在成为生产设施可持续发展的一个重要标准。

单对以太网 (SPE) 被认为是效率和成本效益方面的决定性突破。这种通信技术由 IEEE 802.3 标准规定；IEC 63171-x 系列标准适用于相应的连接器。从根本上说，它使现场组件只需通过一个双绞线对（即两根线而不是以前的四根线甚至八根线）即可连接：成本低、节省资源，因此可持续性极佳。SPE 最初是为汽车电子产品开发的，现在已能满足许多自动化供应商的要求：单线对使他们能够将大量仪器、控制器和其他设备以千兆位数据速率集成到以太网网络中（图 3）。

图 3.单对以太网能够以节省资源和成本的方式将现场层设备集成到宽带以太网通信中。（图片来源：SPE Industrial Partner Network）

另一个优势是：由于具有 PoDL 兼容性（数据线供电，IEEE P802.3bu），同一对电线不仅能向现场设备传输数据，还能传输电力。在以前的 PoE 供电功率范围内，除了执行器和传感器外，还可以连接基于相机的仪器，并通过 PoDL 供电。

单对以太网产品

在 SPE 领域，HARTING 凭借其 [T1 连接器]（包括锁定和 360° EMI 屏蔽）占据了一席之地（图 4）。支持 PoDL 的 T1 采用圆形设计，提供 M8 和 M12 两种规格。就防护等级而言，该产品提供从 IP20 到 IP67 不同等级选择，按照制造商的说法，相应的接口对应设计符合防护等级并确保了互操作性。

图 4：屏蔽和配备锁定功能——支持 PoDL 的 T1 防护等级为 IP20 至 IP67。（图片来源：HARTING）

[Phoenix Contact]还提供一个全面的 [SPE 产品组合，用于]控制柜、传感器、开关和网关之间的现场布线。该供应商的产品包括用于工业 IP20 至 IP67 环境的电路板连接器或电缆组件等。

开源工具提供商 [SparkFun Electronics]提供了 SPE 功能板，以支持开发人员使用单对以太网设计应用（图 5）。该电路板名为 [MicroMod COM-19038]，包括一个 [Analog Devices] 的 ADIN1110 以太网收发器、[Würth Elektronik] 的无源元件和一个 HARTING T1 连接器。集成的 MAC（媒体访问控制）接口可在全双工模式下以 10 Mb/s 的速度与主机控制器进行串行通信。电路板通过 1700 米长的电缆支持网络节点，但不能通过该电缆为节点供电。SparkFun 的 CTO Kirk Benell [在一个演示视频中介绍了该开发板]。

图 5：带有显示屏的环境传感器演示器。（图片来源：SparkFun Electronics）

流程技术中的端到端联网

单对以太网有很多技术优势，如在状态监控和预测性维护方面的优势，也有利于流程自动化。不过，这里适用针对以太网连接的扩展要求规范。除了强大的宽带实时通信（车间也需要），范围广泛的加工设备还需要远距离数据传输。此外，自动化组件必须本质安全，以便在潜在爆炸环境中使用。这就是所谓的以太网高级物理层（以太网 APL）的由来：它定义了物理传输层，用于 10 Mb/s 以太网通信，以及通过一根双线（与 SPE 一样）供电，传输距离可达 1000 米。与 SPE 一样，以太网 APL 也非常适合用于通用的多用途现场仪表。

结语

工业以太网，特别是单对以太网，支持生产设备实现宽带联网。它们可实现从现场到云端的无缝通信，并允许实时访问设备数据，从而为操作员优化工厂和流程提供支持。它们在降低作业成本、提高可用性以及优化能源和资源利用方面的优势显而易见。像 ix Industrial 接口和具有 PoDL 功能的 SPE 连接器这样的高级连接技术，可确保所有网络节点之间可靠地进行数据和电力传输。这使之成为工业 4.0 的关键组件和可持续自动化概念的支柱。