采用以太网加速工业4.0

早在70年代，“工业3.0”是制造业范式转变的名称，它采用信息技术来促进自动化，提高生产力，精度和灵活性。随着工业4.0的成熟，通过智能技术、机器对机器（M2M）通信和机器学习（ML）实现的工业大规模自动化正在实现。两者之间的关键区别在于，工业3.0为人类提供了更好的决策信息，而工业4.0则使用数字信息来优化流程，而无需我们的干预。

更重要的是，工业4.0现在可以在工厂设计办公室和制造车间之间建立联系。通过使用M2M通信，计算机辅助设计（CAD）可以与机床对话，并直接对其进行编程以制造零件。机床可以与CAD对话，让它了解生产过程中的挑战，以便可以修改项目，使其更容易制造。

工业物联网（IIoT）是制造商构建工业4.0解决方案的平台。网络的一个重要作用是形成反馈回路，传感器借此监控过程，其数据用于控制和增强机器操作。

虽然实施IIoT远非简单，但最大的挑战可能是投资成本。虽然投资可以通过更好的设计和制造带来的成本节约，提高生产力和减少产品故障来证明，但任何可以减少资本外流的措施都可能加速工业4.0的采用。实现这一目标的一种方法是将工厂的IIoT网络基于经过验证的、可访问的且相对便宜的以太网通信技术。

工业以太网

作为世界上使用最广泛的有线网络选项，以太网带来了良好的供应商支持和IP互操作性。此外，一组电缆可用于传输电流和数据，为连接的传感器、致动器和摄像头供电。

“工业以太网”采用坚固耐用的连接器和电缆，以消费者版本的以太网为基础，为工业自动化提供成熟的技术。工业以太网不仅可以传输重要信息，还可以让远程管理人员轻松访问车间的机器、PLC和控制器。

然而，标准以太网协议容易丢失数据包，这增加了其延迟。这使得它不适合同步和快速移动的装配线。为了克服标准协议的弱点，工业以太网硬件与确定性的低延迟工业协议合作，包括Ethernet/IP，ModbusTCP和PROFINET。

工业以太网部署使用标准产品CAT 5e的强化版本例如，CAT 5e电缆包括收集成四个双绞线的八根电线。绞合限制了每对导线之间的信号干扰（“串扰”）。线对提供双工连接的两端。对于高速系统，如千兆以太网，所有四对都用于传输数据。吞吐量要求较低（高达每秒100兆比特）的系统可以只使用两个双绞线进行操作，留下备用电源或传统电话服务等。

专有解决方案填补差距

使用CAT 5e电缆进行IIoT部署的一个缺点是，它需要重新设计以执行许多任务。高速以太网在从CAD编程机床时非常好，但对于报告传送带速度的传感器来说几乎不需要。基于以太网的工业物联网的大部分用于收集适量的传感器信息，以优化制造过程。这可能意味着大量的资本支出与几公里长的电缆捆绑在一起，而这些电缆的工程能力永远不会被使用。

在对成本敏感的工业部门，通常通过转向更便宜的替代品来避免这种浪费。制造商不再把钱花在昂贵的电缆上，而是转向价格便宜得多的专有现场总线替代品，以连接不需要以太网全部功能的传感器和系统。这些现场总线通常用于工业仪表和远程I/O等应用，并提供长达1公里的电缆长度和高达每秒10兆位的原始数据吞吐量。许多专有现场总线选项（例如，哈特、PROFIBUS PA和4- 20 mA）使用相对便宜的单双绞线电缆。

如今，实施工业4.0的工厂使用标准以太网进行企业资源规划（ERP）和CAD，使用工业以太网进行工程运营和工厂资产管理，使用专有现场总线进行仪器仪表和远程I/O。这并不理想，因为虽然前两个系统可以很好地协同工作，但后者不能与它们互操作。

单对以太网简介

IEEE 802.3cg是最近的以太网规范修正案，旨在解决目前由非以太网现场总线服务的工业应用。该修正案正在获得动力，因为它允许所有工厂工业4.0操作使用以太网平台。每一台设备，从主工厂云服务器到远程终端，再到最低的温度监控器，都将能够通过一个基于标准的协议相互通信。

规范修订的一个关键组成部分是单对以太网（SPE）电缆，顾名思义，它只通过单对双绞线传输数据，而不是传统工业以太网的多对CAT 5e电缆。这对工厂主来说是一个布恩，因为它大大降低了建筑物通讯线路的成本和体积。更好的是，尽管有了新的以太网连接器，传统的专有现场总线单双绞线可以重新用于SPE使用-没有必要扯掉几公里长的旧电缆更换为新的。

IEEE 802.3cg还引入了两个新的物理层（PHY），以适应工业应用并降低成本。第一种适用于短距离应用（最长15米），而第二种可提供最长1公里的距离，并包括可选的放大发射电平，以提高噪声容限和低功耗空闲模式，以节省保存能源。

“正确的第一次”的重要性

现代制造业要求精度和可重复性。一个组件或子组件的制造公差必须足够严格，这样它们才能用于最终产品的数千个例子中的任何一个，而且还能完美地运行多年。随着产品变得越来越小或越来越复杂，对精度的要求也越来越高;想象一下，不断制造高端机械手表或最新的智能手机。

IIoT可以通过实时控制和在偏差失控之前发现偏差来实现这种精度。第一时间获得正确的产品可以减少消费者的故障和无休止的保修索赔。它还节省了资金，也许更重要的是更具可持续性，因为第一次正确地制作东西可以节省能源，排放和宝贵的材料。

结论

单对以太网使工程师能够在整个工厂利用工业以太网，即使是最低的传感器的操作。这使得它更容易收集和分析所需的深层数据，以增强制造业务并最大限度地发挥ML和AI等新技术的影响。

审核编辑 黄宇