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SPE将是工业现场互联网通信的未来
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SPE将是工业现场互联网通信的未来

2023-05-26 16:13:03 来源:深圳市连接器行业协会 李亦平编译 作者:Guadalupe Chalas 点击:2416

【哔哥哔特导读】工业通信的显示需求对单对以太网连接器的导向。

工业通信战略正在转向支持现场设备级别的实时通信,自动化工程师和安装人员更倾向于支持单对以太网(SPE)来收集现场数据。

概念图

SPE可为各种应用提供IP连接

工业现场设备基础设施的发展趋势

工业通信战略正在转向支持现场设备实时通信,自动化工程师和安装人员更倾向于以太网来收集现场数据。基于IP通信现场设备在支持现代自动化趋势方面发挥着重要作用。其目标不仅是跟踪资产性能,而且还将现场设备信息与人工智能相结合,进行预防性和预测性维护。这种在现场级别使用支持IP基础设施实时访问设备性能数据的转变是有利的,因为它支持流程优化,并最终可能限制停机时间并增加流程自主性。

制造工厂长期以来一直使用现场仪器用于过程监测和生产工艺自动化(传感器、执行器、视觉系统等)。现场收集信息可用于提高产量,监控过程质量,减少停机时间,从而优化生产。数字化正在改变现场设备通信方式,无缝以太网通信广泛应用于现场设备,以及通信生态系统。虽然以太网一直是控制级和企业级之间的首选通信协议,但启用以太网的现场设备和通信基础设施并不广泛.

无缝以太网通信需要升级工业通信的基础设施,因为传统的通信路径不支持设备之间,以及从设备到系统的无缝通信。虽然工业以太网广泛应用于工业通信,但其与现场设备通信要求的兼容性有限。工业以太网传输速率高于大多数现场设备的要求,而传输距离不足。此外,与传统通信协议相比,工业以太网基础设施需要更多的布线。

单对以太网(SPE)是一种用于工业应用中的以太网通信,通过实现长距离的实时数据传输来支持现场设备基础设施。SPE是现场应用的理想选择,因为与以前使用传统现场通信协议,如HART和现场总线相比,它能够在现场仪器,以及设备之间实现更高的传输速率。此外,SPE扩展了传统以太网的覆盖范围,传输距离可达1公里,传输速率可达10 Mb/s,100米可达100 Mb/s,1 Gb/s可达40米。它还支持通过数据线(PoDL)的电力传输。双线接口为IP通信提供小型化连接选项,并提供给传感器、执行器、视觉系统和其它现场设备和仪器。

在恶劣环境下现场设备的SPE连接器标准

工业自动化现场设备通常在高振动、灰尘、潮湿、电磁兼容性要求高等环境中运行。因此,适合现场数据传输的连接器或布线终端应适应恶劣环境。IEC(国际电工委员会)已经发布了一些单对以太网连接器的规范,包括用于IP20应用的IEC 63171-2和支持在恶劣环境下连接的IEC 63171-5。

这是IEC从单对以太网系统联盟(SPESA)合作伙伴关系中发布的第二个SPE连接器规范,菲尼克斯电气是该联盟的创始成员之一。IEC 63171-5是IEC 63171的一部分,该部分描述了在M8或M12锁定接口上具有IP65/67额定值的双向屏蔽或非屏蔽圆形连接器。具有锁定机制,如推拉和卡口锁定。这些连接器可用于频率高达600 MHz的平衡单对数据传输。该连接器还具有高达4A的载流能力。

概念图

SPE不同种类,包括IP20、M8、M12和M12 Hybrid(逆时针)

虽然IEC 63171规范中的所有连接器都可以通过单对电线提供以太网传输,但可以使用不同接口满足其预期市场的特定应用要求。IEC 63171-5中定义的连接器接口,也称为“5型”SPE连接器,适用于环境条件恶劣的地区和需要防水保护的地方。该规范代表了SPE可用连接的变化,它有助于新技术使用连接器接口,适合已知的M型连接器,广泛用于传感器和其它现场设备通信。

IEC 63171-5兼容产品已发布,并为M8和M12标准外壳及其各自的配套电缆组件提供PCB面板安装选项。电缆组件有两种选择:用于低速应用的20 MHz电缆(高达10 Mb/s)和用于高达1 Gb/s应用的600 MHz电缆。此外,Type 5连接器接口与Type 2接口(IEC 63171-2)完全兼容,该特性具有IP20和IP67防水等级,用于测试和检测。对于使用现有布线基础设施的应用,或对于长期部署,SPE连接器的现场布线版本可以用于不需要任何工具的终端。

标准化工作的好处和挑战

SPE连接器标准化的好处有很多。从规范开发的早期阶段开始,连接器制造商已经提供了几种不同版本的SPE连接器,其组合包括IP20插孔和电缆组件,IP20现场可接线接口,以及具有M8外壳的IP67插孔和电缆组件。而且,尽管这些产品已经有一段时间了,但IEC 63171-5等标准的发布进一步确保用户这些产品满足IEC要求,并且新的连接器技术被批准实施和部署。

发布规范的另一个优点是,连接器制造商能够提供其批准的标准接口,为特定应用提供标准化连接器。在市场、应用和标准之间建立协同作用,并推动制造商进行创新和构建满足特定需求的新产品。

标准化技术也面临着诸多挑战。随着应用需求的不断发展,越来越多的行业开始考虑其现场基础设施的SPE,其它需求将被发现。这些需求通常会进入物理层规范和操作参数,以及针对特定市场的连接器规范。比如,当工业自动化和过程控制行业的应用开始将传统网络过渡到以太网时,需要更新的SPE传输距离。新的IEEE工作组启动另外一个项目,该项目名为IEEE 802.3dg,打算修改物理层规范参数,支持100 Mb/s运行500米,1 Gb/s运行100米。

概念图

传感器应用中市场和标准化之间的协同作用示例

市场、应用和标准化示例: Ethernet-APL

SPE在2010年代起源于汽车行业,基于IEEE标准在工艺行业中处于采用的早期阶段,因为Ethernet-APL可以在安全区域实现长电缆和防爆保护,同时为终端设备提供通信和电力。Ethernet-APL是工业应用中SPE的应用案例,也是几个行业利益相关者合作的结果,目的是将以太网通信带到现场设备上。Ethernet-APL的目标是将被广泛接受的工业标准以太网及其安装、故障排除和诊断工具引入现场设备生态系统。由于目前的以太网标准没有满足恶劣环境部署的特定要求,新的以太网物理层理想情况下将通过内在的安全和浪涌保护来支持防爆保护,并可以重复使用线缆。

传感器

过程自动化中的SPE用例:一个Ethernet-APL开关和流量计。

Ethernet-APL 需要10Base-T1L,即SPE物理层,并增加了在爆炸环境中内在安全的规定。全双工数据通信和电力传输可以在一对电线上同时进行,使传输速度比目前的现场设备通信方法,如HART和现场总线要快得多。因为Ethernet-APL 是一个以太网物理层,所以它可以支持以太网/IP、HART/IP、OPC-UA、PROFINET和其它IP传输协议。Ethernet-APL 与现有的SPE连接器标准兼容,该标准指定了通过M8和M12变体、具有IP20防水等级、以及屏蔽性能的连接器进行以太网传输。Ethernet-APL 还兼容弹簧夹和螺旋式端子,有三个位置:两个位置的数据对,和一个位置的屏蔽,可简单地安装电缆(26-14 AWG)。

Ethernet-APL项目已经创建了一系列的规范文件来帮助实现。其中一个是 Ethernet-APL的工程指导方针,其中包括计划、调试和安装细节,帮助用户进行部署。还有设备供应商和用户的图纸,详细介绍了系统概念,以及动力系统的详细信息,包括电压源和其它需要使用的参数。这些文件突出了用户组组织和利益相关者在这项技术进步方面的承诺。 Ethernet-APL基础设施开始应用,第一批交换机将于2023年第二季度发布,一些制造商已经完成了早期设备。现场设备制造商也在追赶这项技术,并承诺将在2023年推出该设备。

未来的道路

连接器

使用SPE M8进行现场通用以太网连接。

截至2023年3月,已经发布了一些关于SPE连接器的规范。其中包括IEC 63171-2,它定义了IP20连接器接口的要求;以及IEC 63171-5,它定义了使用M8和M12帧传输的要求。此外,IEC 63171-7是一种新的混合M12连接器SPE草案规范,适用于高功率要求且PoDL不可行的应用。新的连接器规格使用M12框架容纳一个SPE端口,额外的电源触点用于电力传输。IEC规范进一步定义了接口编码和电压额定值。虽然还在草案阶段,该规范定义了7种类型连接器的引脚分配,支持高达600 V的交流,以及直流的额定电压。虽然电源触点将因连接器类型/编码而异,但IEC 63171标准规定了系列参数,规定的传输速度高达1 Gb/s。

菲尼克斯电气和SPE系统联盟负责SPE连接器七个规格中的三种。菲尼克斯电气是Ethernet-APL项目的重要合作者,负责基础设施部署技术,以及在恶劣环境中支持现场设备的连接器。

IEEE还在继续修订SPE的物理层标准,以增加传输长度。这些增强旨在解决高速应用,如电机通信,需要速度高于10 Mb/s(100米)和100 Mb/s(从40米到100米)。工业通信中SPE将推动对规范的进一步增强,这可以使早期采用者受益,因为他们对数据传输的需求不断增加。由于SPE连接器接口的设计时考虑了可持续性,因此它们有望支持未来对点对点标准的更改,单个连接器接口可以支持从10 Mb/s到1 Gb/s的传输速度。

SPE的IEEE标准是支持工业以太网通信的物理层规范的重要补充。智能工厂可以沿着数字化的道路前进,这些通信基础设施支持基于以太网的协议,以便在整个制造过程中实现无缝的数据传输。一些工业用户群体也在考虑将SPE作为一种可行的技术,并开始开发额外的标准,解决随着数字化加速的小众应用。

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