如何使用单对以太网来节省空间、减轻重量，同时提高工业物联网性能
作者：Bill Giovino
以太网是工业物联网 (IIoT) 网络中最受欢迎的有线网络标准，拥有稳健的性能和经过验证的可靠性。此外，以太网供电 (PoE) 通过同一根以太网电缆向传感器和 IIoT 端点提供电源，从而减少布线。以太网也已成为乘用车标准，已在许多情况下取代了控制器区域网络 (CAN) 串行协议。由于以太网的可靠性和高数据速率，让自动驾驶和高级驾驶辅助系统 (ADAS) 拥有了明显的优势。
然而，在大型 IIoT 网络中，以太网电缆束可能变得如此之大、如此之重、如此之累赘，以至于电缆束可能成为拖累设备的障碍物，而需要另行加固。这种问题对汽车应用的影响会特别严重，因为额外的重量和空间会降低容量和里程。在卡车、客运和货运列车以及飞机等工业运输应用中，可能会因为电缆的尺寸和重量过大而必须在系统设计中进行补偿，从而增加成本并延长安装时间。
为此，各大制造商推出了也支持数据线供电 (PoDL) 的单对以太网 (SPE) 连接器和电缆。SPE 只通过一对双绞线提供高速数据传输并提供电源。本文将详细介绍 SPE 在工业和运输应用中的优势。然后，讨论 Phoenix Contact 的两种 SPE 连接器，以及两种适合 SPE 应用的 SPE 电缆。
SPE 与传统以太网之比较
以太网是商业和工业局域网 (LAN) 中最流行的有线网络标准。使用最广泛使用的版本是 10/100Base-T 以太网，该网络使用两对双绞线传输数据，而千兆位以太网则使用四对双绞线。由于工业自动化系统需要更快的速度，现在越来越流行采用具有 PoE 功能的千兆位以太网来连接连接计算机和传感器。通常情况下，双绞线使用 24 AWG 铜线。这八根线通常被包裹在工业级 CAT5e 电缆内，且覆盖有泡沫胶带和箔屏蔽层。在大型工业设施中，可以看到数百条这样的电缆分布在建筑物各处。这些电缆束可能会变得很重，穿过地板时会绊倒经过的人员，所以需要将其捆成线束，固定在墙壁和设备上。这些电缆束可能重达 50 磅 (lb) 或更多，如果不考虑到电缆带来的额外重量，可能会拉伤或破坏电缆支撑系统，甚至使设备倾倒。
此外，传统以太网电缆的长度限制为 100 m。对于较大型工业设施和楼宇自动化系统，有时必须使用中继器来扩大以太网电缆的覆盖范围，以便到达远程传感器。这样，在增加系统复杂性同时，还会引入另一个需要维护的点。由于铺设这些厚重的电缆会增加时间和费用，显然需要一种更好的布线方法取而代之。
SPE 使用一根双绞线提供双向数据创术并提供电源。这种电缆长达 1000 m，在不使用中继器的情况下延长了联网传感器的覆盖范围。这样会大大降低重量，并通过简化布局简化安装。与传统的以太网相比，可实现极高的电源效率，且所需面积更小，安装、维护成本更低。虽然工业系统可以使用屏蔽护套来防止电缆束相互干扰，但也支持使用轻型非屏蔽电缆。这在汽车应用中是一个优势，使得轻型电缆在空间有限的地方布线变得更容易，如座椅和脚踏板下方。SPE 的电缆更小、更轻，而且通过单根高性价比绞线对实现了高数据传输速率传输和供电能力。SPE 凭借这些优势有望成为一种流行的、甚至是主导市场的工业通信标准。
SPE 基础知识
IEEE 关于 10 兆比特每秒 (Mbit/s) SPE 的正式规范是 802.3cg。该标准支持全双工数据通信，最长可达 1000 m。
IEEE 802.3bw支持全双工数据通信，最高数据速率可达 100Mbits/s，电缆最长可达 50米。该标准针对工业应用和一些汽车应用中的高速传感器。
IEEE 802.3bp 支持全双工数据通信，速度高达 1000Mbits/s，电缆长度可达 15 m。在这种电缆长度下，该标准适用于一些工业传感器应用，尤其适用于高清视频以及小型飞机和商业汽车应用，在这些应用中，高速传感器数据必须在相对较短的距离内传输。
目前，IEEE 802.3ch 支持 10 千兆比特每秒 (Gbps) 传输速率，电缆长度可达 15 m。该标准与 802.3bp 类似，但包括物理层 (PHY)。这主要是针对商业汽车和工业运输应用，在这些应用中，高数据率、较小的电缆直径，特别是较小的重量是非常重要的系统设计考虑因素。
带有 PoDL 的 SPE 通过同一双绞线向以太网传感器或端点提供电源，输送的电源功率由电缆的长度和线规决定。在使用 14 AWG 电线的最大长度为 1000 m 时，IEEE 规范允许端点电压为 60 V，功率 13.53 W。
工业级 SPE 硬件
工业 SPE 连接不使用 RJ45 连接器，而是使用新的 IEC 63171 T1 连接器标准。Phoenix Contact 提供一系列针对工业应用的 SPE 连接器和电缆。
对于需要 IP67 耐用性能的工业 SPE 应用，Phoenix Contact 提供一个真正的 M8 连接器——使用 1163793 SPE M8-2 插件和 1412502 M8 外壳（图 1）。外壳和插件组件的组合提供 IP67 保护，适合恶劣的工业环境。轻型组件也适用于航空和运输系统。
图 1：Phoenix Contact 1163793 M8-2 插件（左）和 1412502 M8 外壳（右）组装后可提供一种真正的具有 IP67 级性能的 SPE M8 解决方案。（图片来源：Phoenix Contact）
该连接器组件可在 4 A 时提供高达 72 V 的 PoDL，其额定温度范围为 -40°C 至 +85°C，因此适合在户外环境中为 IIoT 端点和传感器节点供电。采用流行的 M8 连接器形式，系统制造商能够很容易地将现有的带有 M8 连接器的传感器和设备改装成 SPE。SPE 连接器组件使用标准的 SPE M8-2 连接器模式，带有 D 编码，以确保只有 SPE 电缆插入连接器组件。
企业级 SPE 硬件
SPE 也适用于包括办公环境内内的企业系统，因为重量更轻、直径更小的电缆更容易制造和布线。IP67 工业应用可以使用相同的 SPE 网络与这些企业系统轻松进行交互。对于通常需要 IP20 保护的企业应用，Phoenix Contact 的 1163797 SPE 模块插座是一种非常合适的解决方案。这是一种采用通孔焊的 IEC 63171 插座，带有一个锁定夹，以确保电缆连接牢固（图 2）。
图 2：Phoenix Contact 的 1163797 模块化 SPE 插孔与所有的现行 SPE 标准兼容。其额定供电电压为 72 V，电流为 4 A。（图片来源：Phoenix Contact）
M8-2 插件采用键控结构，可防止误连接。该插孔含两个镀金铜合金插头，可将接触电阻保持在最低水平，使其能够在 4 A 时提供高达 70 V 的 PoDL。M8 采用黄铜表面镀镍外壳，以提高耐腐蚀性。
1163797 支持目前所有的 802.3cg/bu/bw/bp SPE 连接器规范。该器件可以耐受恶劣的环境，规定的插入和拔出次数 750 次，防护等级为 IP20，工作温度范围为 -40℃ 至 +85℃，尺寸为 5 x 8.35 x 14.2 mm。这使得该器件适合于在单板计算机 (SBC) 以及可编程逻辑控制器 (PLC) 上进行焊接安装，因为这些设备上的电缆偶尔会被替换。这些经验证是有用的场景示例包括了可能需要为不同产品组件重新配置的制造设施。
用于 IIoT 的 SPE 电缆
对于短的 SPE 连接，Phoenix Contact 提供 1183808 2 m SPE 电缆。这种电缆支持 PoDL，电压高达 72 V，电流 4A，并且每个电缆端接部分都有两个 SPE 插座（图 3）。传统的以太网在电缆末端有插孔，在端点有插座，而 SPE 硬件则相反。
电缆护套由聚氨酯制成，可抵抗紫外线 (UV)、耐磨损和耐受大多数溶剂。聚氨酯电缆还能抵抗因暴露在阳光和水下环境而引起的收缩和裂纹，以及工业环境中常见的滥用情况。为防止电磁干扰，这种电缆采用镀锡铜编织屏蔽层保护，且屏蔽层由具有塑料涂层的铝箔层包裹。因此，这种电缆适用于电噪声环境，尤其适合与其他高速电缆捆绑在一起的情况。
图 3：Phoenix Contact 的 1183808 SPE 电缆长 2 m，采用聚氨酯保护套。这种电缆能够屏蔽 EMI，并支持高达 1000Mb/s 的数据速率。（图片来源：Phoenix Contact）
电缆插座采用铜合金触头，支持符合 802.3cg 标准的 10 Mb/s 数据传输速率以及 100 Mb/s 802.3bw 传输速度。最高传输速率为 802.3bp 1000 Mb/s，这不仅适合于传感器，也适合于高清 (HD) 视频监控设备。
虽然电缆护套不受水和灰尘的影响并具有 UL94V0 的阻燃性能，但鉴于电缆终端连接器，该电缆组件的防护等级为 IP20。每个连接器都有一个锁扣，可以将电缆安全地连接到插孔端点。这种锁定机构是 SPE 连接器标准的一部分，可防止在繁忙的环境中被意外拆除。该电缆的额定工作温度为 -40°C 至 +85°C，插拔次数高达 750 次。该产品适合在室内使用接插板，以及 IIoT 传感器和 SPE 接线盒之间的连接。
对于需要更长电缆的应用，Phoenix Contact 提供 1183811 5 m SPE 电缆，其规格与 1183808 相同。
结语
在 IIoT、汽车和企业等应用中转而采用 SPE，有助于设计者既能满足对更轻、更小、更易用的高速连接解决方案的需求，又能降低成本。然而，设计者在部署基于 SPE 的网络时，必须谨慎选择他们要使用的连接器和电缆，以确保在恶劣的周围环境和电气噪声中的实现可靠连接。
如图所示，通过各种版本的连接器，IP20 级企业系统可以使用真正的 M8 SPE 连接器与 IP67 工业控制系统轻松互连，从而在这两种环境中提供无缝连接和电源传输。有了 PoDL 附加功能，SPE 连接使得在企业和工业环境中向 IIoT 端点提供电源和数据变得轻而易举，而无需额外布线，从而能大大简化并精简部署工作。
