對以太網(wǎng)(Single Pair Ethernet，SPE)可通過單線對進行以太網(wǎng)傳輸，確保傳感器的連接經(jīng)濟高效且節(jié)省空間。直至現(xiàn)場級別的基于 IP 的一致通信成為可能。除了數(shù)據(jù)傳輸之外，單對以太網(wǎng)技術(shù)還允許通過 PoDL(數(shù)據(jù)線供電)同時為終端設備供電。
單對以太網(wǎng)滿足統(tǒng)一網(wǎng)絡基礎設施的要求，這是工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的基礎。
單對以太網(wǎng)到底是什么？
經(jīng)典以太網(wǎng)已經(jīng)連接了自動化金字塔中的所有上層，但通常不適合連接最低現(xiàn)場層。安裝通常過于復雜或最大距離不夠。此時，SPE 技術(shù)決定性地擴展了經(jīng)典以太網(wǎng)的性能配置。
單對以太網(wǎng)是物理層的另一種形式。以前，快速以太網(wǎng) (100 Mbps) 傳輸需要兩根雙線，千兆位以太網(wǎng)則需要四根雙線，而單對以太網(wǎng)只需一根線對(單對)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這為直接從現(xiàn)場連接緊湊型設備、傳感器和執(zhí)行器開辟了新的機會。不再需要額外的子系統(tǒng)或網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)這一點。因此，SPE 是針對許多當前和未來應用的輕量且節(jié)省材料的以太網(wǎng)增強功能。
具有基于以太網(wǎng)的通信的面向未來的網(wǎng)絡基礎設施
與現(xiàn)有解決方案直接比較時，采用 TCP/IP 和時間敏感網(wǎng)絡 (TSN) 的以太網(wǎng)可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸，且數(shù)據(jù)傳輸速率顯著提高。對于單對以太網(wǎng)，這也可以通過來自現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)實現(xiàn)。最先進的傳輸技術(shù)可確保從傳感器到云的以太網(wǎng)通信節(jié)省空間且經(jīng)濟高效。通過傳輸協(xié)議、布線和設備組件的定義標準實現(xiàn)通用兼容性，使得 SPE 在各種應用中的大規(guī)模使用成為可能。
通過單雙線進行數(shù)據(jù)傳輸允許繼續(xù)使用現(xiàn)有的兩線電纜基礎設施(電纜共享)。特別是，這大大節(jié)省了材料的使用，同時減少了所需的布線量，并確保易于集成。該技術(shù)可用于范圍長達 1000 米、數(shù)據(jù)速率高達 10 Gbps 和功率高達 50 W 的應用。SPE 網(wǎng)絡可以采用星形或線形拓撲進行設置。該技術(shù)滿足面向未來的網(wǎng)絡基礎設施的要求。
單對以太網(wǎng)技術(shù)特點
單對以太網(wǎng)標準
不同的標準和規(guī)范規(guī)定著 SPE 技術(shù)的各個方面，從以太網(wǎng)接口、布線到數(shù)據(jù)傳輸。 SPE 標準在 IEEE 802.3 中定義。該標準描述了通過一對線進行基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)框架。差異在于傳輸速率和距離。 IEC 63171 描述了這些 SPE 標準的兼容連接器。
傳輸路徑
單對以太網(wǎng)起源于汽車行業(yè)。目標是實現(xiàn)高效、統(tǒng)一的基礎設施，以盡可能少的布線提供高性能。類似的要求也適用于其他行業(yè)的應用。然而，在許多應用中，100 米作為經(jīng)典以太網(wǎng)的最大連接長度根本不夠。符合 IEEE 802.3cg 的 SPE 標準 10BASE-T1L 可顯著延長傳輸距離。該標準定義了單線對的數(shù)據(jù)布線，傳輸距離可達1000米。
傳輸長度為1000米時，傳輸速率可達10Mbps或1Gbps，傳輸長度為40米。即使對于現(xiàn)場最復雜的傳感器組件來說，這些傳輸速率也足夠了。這意味著SPE接口可以普遍用于工業(yè)應用。
PoDL – 數(shù)據(jù)線供電
除了通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)外，SPE技術(shù)還可以實現(xiàn)終端設備的同步供電。通過數(shù)據(jù)線供電 (PoDL)，可以傳輸高達 50 W 的有效輸出。
IEEE 802.3bu 和 IEEE 802.3cg 標準中描述了各種性能等級。利用這項技術(shù)，可以通過用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|為最遠1000米外的傳感器或執(zhí)行器供電。這最大限度地減少了現(xiàn)場布線所需的安裝工作量和空間。
PoDL 性能類別
單對以太網(wǎng)應用
SPE 非常適合工業(yè) 4.0、樓宇、工廠和過程自動化中的各種應用。 SPE 技術(shù)可以輕松集成到現(xiàn)有的以太網(wǎng)基礎設施中，無論其使用環(huán)境如何。就資源節(jié)約型、小型化設備的趨勢而言，單對以太網(wǎng)由于節(jié)省空間的電纜而為您的電子設備提供了更多的空間。
汽車行業(yè)
SPE這種節(jié)省空間的技術(shù)非常適合汽車行業(yè)的應用。只需一根雙絞線即可實現(xiàn) 10 Mbps 至 1 Gbps 的傳輸速率，最大電纜長度為 15 米(非屏蔽)或 40 米(屏蔽)，非常適合用于車輛線束。此外，還有許多新的 SPE 標準正在開發(fā)中，預計將使數(shù)據(jù)傳輸速率達到 10 Gbps 甚至更高。因此，在新一代車輛中，SPE 將取代 CAN、MOST、FlexRay 和其他總線系統(tǒng)。安全功能、控制和通信通過以太網(wǎng)統(tǒng)一運行。這是聯(lián)網(wǎng)或自動駕駛的重要先決條件。
工業(yè)行業(yè)
傳感器集成在所有制造領域都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。SPE 可靠地將傳感器、執(zhí)行器和現(xiàn)場設備集成到現(xiàn)有的以太網(wǎng)環(huán)境中。這意味著可以將必要的數(shù)據(jù)和過程信息直接傳輸?shù)娇刂茖踊蛟贫诉M行分析。與現(xiàn)場總線協(xié)議相反，以太網(wǎng)可用于自動化的每個層級。無需額外的網(wǎng)關(guān)或接口。減少到單線對也簡化了傳感器在機器或系統(tǒng)中的布線。系統(tǒng)的構(gòu)建、操作和維護變得更加高效和經(jīng)濟高效。
過程工業(yè)
以太網(wǎng) APL 可在過程應用的防爆區(qū)域中實現(xiàn)現(xiàn)場設備和傳感器的直接雙線以太網(wǎng)連接。高級物理層 (APL) 使用 IEEE 802.3cg 的 10BASE-T1-L 標準以及 IEC TS 60079-47, 2021-03 (2-WISE) 標準(2-WISE = 雙線本質(zhì)安全以太網(wǎng))，并支持包括本質(zhì)安全在內(nèi)的防爆方法?？梢栽跐撛诒▍^(qū)域使用，并且可以以 10 Mbps 的速度橋接長達 1000 米的遠距離。新的通信基礎設施確保在過程工業(yè)中一致使用以太網(wǎng)。
樓宇自動化
聯(lián)網(wǎng)建筑可確保高效率、更高的安全性和額外的便利功能。通過使用端到端 IP 協(xié)議，傳感器、開關(guān)和恒溫器等可以通過本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和云連接到建筑管理系統(tǒng)。一致的 SPE 布線取代了現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)、復雜的接口和網(wǎng)關(guān)。還可以選擇重復使用現(xiàn)有的雙線電纜基礎設施，例如網(wǎng)絡電纜。這使得安裝和調(diào)試變得非常容易。
總結(jié)
以太網(wǎng)技術(shù)近年來在速度、可靠性和應用范圍上取得了顯著進展，特別是10GbE、25GbE及更高帶寬標準的普及，推動了數(shù)據(jù)中心、邊緣計算和智能建筑的廣泛應用。未來，隨著5G、AI和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的發(fā)展，以太網(wǎng)將在支持超高速數(shù)據(jù)傳輸、低延遲網(wǎng)絡和更高能效方面繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。PoE(以太網(wǎng)供電)等技術(shù)的發(fā)展還將促進以太網(wǎng)在智能樓宇和工業(yè)自動化中的應用，為萬物互聯(lián)的未來奠定基礎。
同樣，單對以太網(wǎng)(SPE)技術(shù)近年來迅速發(fā)展，成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、汽車和智能樓宇等領域的關(guān)鍵推動力。SPE通過一對銅線傳輸數(shù)據(jù)和電力，簡化了布線結(jié)構(gòu)，降低了成本，并提升了設備連接的靈活性。其低功耗和長傳輸距離的特性，使其特別適用于傳感器、控制器等低帶寬設備的連接。未來，SPE有望在智能制造、自動駕駛以及更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應用中扮演重要角色，推動萬物互聯(lián)的發(fā)展。
常見問題
1、使用SPE支持的傳輸速度是多少？
當今可用的以太網(wǎng)技術(shù)只需一對線對即可為應用提供高達 10 Gbps 的傳輸速度。
2、為什么要使用SPE?
借助 SPE 基礎設施，可以減少數(shù)據(jù)布線，避免從現(xiàn)場到云端的介質(zhì)故障以及設備故障。還可以建立具有一致以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡，這樣就不再需要網(wǎng)關(guān)了。此外，使用 SPE 布線更簡單，更省時，因為只需連接兩根電線。10Base-T1L 標準支持范圍高達 1000 米的以太網(wǎng)布線。
3、SPE有哪些標準？
SPE 標準定義在 IEEE 802.3 中。目前有五種不同的標準，傳輸速度和距離各不相同，并且已經(jīng)超出范圍。進一步的標準正在討論中。
4、SPE支持傳輸電力嗎？
是的，通過 PoDL(數(shù)據(jù)線供電)標準可以傳輸高達 50 W 的功率。各種性能等級在 IEEE 802.3bu 和 IEEE 802.3cg 標準中有描述。
5、現(xiàn)有的電纜基礎設施該如何處理？
可以想象，如果現(xiàn)有的電纜基礎設施滿足要求，可以使用它們進行 SPE。SPE 電纜在標準 IEC 61156-1x 中定義。
