SPE技术推动数字化转型
Andy Schäfer，Phoenix Contact GmbH & Co. KG PCB连接器产品经理，德国布隆贝格
图1：单对以太网为成功实现数字化提供了新的解决方案，例如用于PCB的SPE接线端子。
单对以太网（SPE）技术为现代通信基础设施带来了真正的附加价值。Phoenix Contact凭借在SPE领域的全面产品组合，提供技术解决方案和跨行业专业知识。
与传统以太网解决方案相比，SPE仅需一对线缆即可同时传输数据和电力，而传统以太网通常需要两对甚至四对线缆。该技术可在最远1000米距离内提供10Mbps传输速率，或在40米范围内实现高达1Gbps的速率，能够满足包括智能测量变送器和摄像系统等对传感器联网要求非常高的应用。因此，SPE适用于许多过去受制于数据速率、通信距离和通信流畅度的应用场景。
连接距离可达1000米
传统以太网解决方案的一大局限是点对点连接的最大距离仅为100米，因而生产线和传送带等工业系统必须安装额外的中继器或交换机来延长传输距离。这不仅增加了潜在故障点，还带来了额外的维护成本。而SPE技术仅使用一根电缆，即可在长达1000米的距离上以10Mbps的速率传输数据，而且还可以选用数据线供电（PoDL）技术。因此，SPE解决方案未来有望取代特定的现场总线技术。
此外，SPE还适用于构建复杂的网络拓扑结构。
凭借10Mbps到1Gbps的传输速率，SPE可以实现多种应用。目前，IEEE 802.3标准化组织正在讨论具有扩展性能框架的SPE标准，以实现短距离（15米内）不低于10Gbps的数据速率，以及在最长500米的距离内实现100Mbps的数据速率。这些新标准将进一步拓展SPE的应用场景。
图2：SPE标准由IEEE 802.3定义，该标准规定了通过一对电缆进行以太网数据传输的技术框架。
流畅且安全的数据通信
在传统工业系统中，通常存在以太网与多个现场总线系统并存的情况。随着工业物联网（IIoT）的发展，以及更高效的通信系统逐渐取代现场总线，这些传统拓扑结构正在逐步淘汰。在各种需要传感器和/或网络之间流畅通信的应用领域中，都可以观察到类似的转变。对这些应用而言，流畅、安全的数据连接至关重要。
经济高效的工厂自动化
当前，一个普通的工厂每天会产生约1TB数据，并且这一数据量仍在持续增长。实现持续通信对于有效地评估这些数据至关重要。SPE可确保从传感器到云端的持续网络连接。此外，随着工业应用中传感器和智能终端设备数量的增加，SPE提供了简单、安全、紧凑且经济高效的布线解决方案。与目前常见的总线与以太网组件组合方案相比，未来基于SPE解决方案的基础设施建设将显著降低成本。
SPE与机器人：节省空间，提升性能
SPE在自主和协作机器人应用中具备诸多优势。它的数据传输速率高于传统现场总线系统，使机器人与控制器之间能够以更高的采样率和更大的数据量进行通信。此外，SPE能够简化布线，仅需一条电缆即可同时传输数据和电力。未来，为满足超出PoDL标准的高功率需求，还将推出混合SPE解决方案，将数据和电源触点集成在一个连接器中。使用较少的电缆和连接，可以减少疲劳损坏风险、加速故障排除，并简化维护工作。此外，SPE电缆的弯曲半径更小，因而这项技术还能大幅优化机器人系统的设计。
图3：在机器人领域，SPE凭借高性能和低空间需求赢得了青睐。
SPE在过程自动化中的应用
在石油和天然气等领域的过程自动化中，生产设施通常占地广阔，里面还有巨大的建筑或储罐。对许多企业而言，实现全球设施的全面状态监控和远程控制、确保从传感器到云端或ERP系统的数据流一致，是一件至关重要的事情。SPE可以提供无需信号调制设备或网关的高效网络结构，结合PoDL技术还可在这些应用中实现数据和电力同时传输。
适用于防爆区域的APL技术
针对防爆区域（0区、1区和2区）对数据和电力传输的高要求，高级物理层（APL）这一单独的SPE标准应运而生，用于过程工业等领域。APL结合了IEEE 802.3cg的10BASE-T1L标准与IEC TS 60079-47, 2021-03 (2-WISE) 标准（2-WISE = 双线本质安全以太网），确保将防爆和本质安全方法纳入考虑。
这项技术还可以覆盖长距离传输（主线1000米、支线200米）的需求，并且支持不同制造商设备和系统间的互操作性，因而能够获取并分析大量额外数据，用于预测性维护等措施。
APL为石油、天然气和化工等行业提供了安全、高效且面向未来的网络解决方案，同时具备诸多优势。这项技术还可利用现有布线和以太网协议（如EtherNet/IP™、HART-IP、OPC UA和PROFINET），经济高效地对现有系统进行现代化升级。
图4：在过程工业中，流量计可通过APL技术与现有布线集成到网络中。
SPE在能源行业中的优势
SPE还能为可再生能源领域带来优势。此类能源具有波动性，需要进行智能管理才能加以利用，因而智能数据管理尤为重要。无论是风力发电机还是光伏系统，都必须随时测量所产生的能量，并以智能的方式馈入电网，同时还必须满足特殊要求。例如，现代风力发电机从机舱到地面的距离往往超过100米，传统的铜缆以太网连接无法覆盖这样的距离，因而运营商通常会采用光纤或无线方案。在太阳能园区和电力并网/燃气系统中，也必须覆盖100米以上的距离。而SPE则可凭借其远距离传输优势满足此类需求。
工业应用中的标准化连接器方案
单对以太网的标准化连接器方案现已确定。这是一项期待已久的明确决定，在PROFINET广泛应用的工厂自动化领域更是被视为重要的里程碑。通过为控制柜、现场和混合安装中的应用提供统一的连接器模式，这一连接元器件将为通用SPE标准铺平道路。SPE连接器系统目前正在考虑纳入到国际标准中。这种新一代产品代表着工业向未来迈出的又一步。
图5：Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO) 呼吁采用统一的SPE连接器标准。
SPE的连接方式：连接器或接线端子
SPE凭借其多功能性，在工业应用和其他众多领域都能大显身手。在开发传感器等智能终端设备时，设备制造商还必须考虑连接技术。然而，选择哪种连接技术往往取决于具体应用。现场设备通常需要IP防护。除了可以在此类现场设备中集成IP防护连接器外，还可以选择使用电缆接头来达到所需的防护等级。因此，经过测试并适用于SPE数据传输的PCB接线端子也可用于设备内部。这种做法具有多项优势。一方面，设备制造商可以根据需要自由决定小型SPE接线端子在PCB上的位置。另一方面，广为人知的螺钉和Push-in连接技术也为现场安装人员提供了便利。根据此类设备的安装位置，技术人员面临着各种挑战。SPE电缆的白线和蓝线具有清晰的颜色编码，即使在难以接近或照明条件不理想的环境中也能直观明确地分辨，从而避免安装过程中出错。
图6：SPE PCB接线端子支持10Mbps数据传输，并可通过PoDL为现场设备供电。
节省空间的连接技术
除了安装具有IP防护现场设备外，SPE PCB接线端子在IP20环境（如建筑技术场景）中也具备其优势。在这些场景中，连接器往往由于空间限制而无法使用，例如在配电箱甚至嵌入式插座中的应用。而接线端子恰恰是节省空间的理想选择。这些接线端子可以让嵌入式安装设备和DIN导轨设备直接通过SPE电缆连接，并将它们集成到网络中。
结语
在许多其他领域中，基于IP的单对以太网都可以成为有用的补充或重建解决方案——原则上，所有需要在远距离和空间有限的情况下进行基于IP的一致通信的应用都是如此。Phoenix Contact很早就开始关注单对以太网的潜力，现已成为集成该项技术的专业合作伙伴。这是一项具有巨大潜力的关键技术。在数字化的浪潮中，Phoenix Contact的专家们积累了丰富的专业知识，掌握了正确的工具，并提供了必要的个性化服务，以实现单对以太网，并将其集成到各种领域中，应对未来的挑战。