工业单对以太网（SPE）技术的未来发展趋势

March 1, 2023

Fanny Hu

发布于2022-01-27

前言：

SPE技术的应用前景是工业制造。工业制造的过程会用到机器人、5G、云计算等技术，而一切运作的根本，都得益于高速网络的支持。SPE技术作为一种高速的网络技术，使用一对电线以1Gbps的速率传输数据，传输距离可达40m；或以10Mbps传输速率可达1km——显着地减少了电缆尺寸、成本和复杂性。

SPE技术的诞生及发展史

如果说来自组成局域网（LAN）的传统以太网网线或工业以太网网线是根据传输速率使用两对或四对导线的话，那么在工业应用中， SPE是仅包含一对用于数据传输的双绞线（单对）的铜缆。因此，SPE技术是目前和未来许多应用中更精简、更轻和节省材料的以太网发展趋势。

以太网是一种用于通过硬件将计算机连接到多台机器或从多台机器连接计算机的系统。它的原始专利将其描述为“具有碰撞检测功能的多点数据通信系统”。

传统的以太网专注于通过电缆技术帮助系统更好地相互连接和通信，并被称为主要用于企业办公环境的标准商业网络。

Metcalfe 与 Xerox 合作解除了以太网专利，以便其他公司也可以使用该技术。它最终被国际电气与电子工程师学会 (IEEE) 接受，作为一套通用网络语言规则在全球范围内使用。

以太网引入后不久，电气自动化技术的使用增加，现场总线技术在1980年代应运而生。现场总线技术成为了另一种常用的工业通信网络系统，并最终主导了过程控制和工业自动化行业。

以太网和现场总线的最初设计意图完全不同：以太网专注于通过数据包处理进行高速通信，而现场总线则专注于实时分布式控制。

随着时间的流逝和两种技术的发展，以太网在工业领域应用的增长超过现场总线，并且有望继续该势头。

尽管商用以太网自1970 年代以来就越来越受欢迎，但直到 2000 年代初，市场上才出现能够承受工业环境因素的工业以太网电缆、交换机和连接器。

SPE 作为一种工业以太网，于 2010 年推出，其特点是只有一对双绞铜线，而不是典型的多对以太网 (MPE)，后者具有两对或四对线。

SPE最初的发明是为了满足汽车行业的需求——更小、更轻的电缆和连接器。在自适应巡航控制、停车辅助、自动驾驶和其他车载系统中涉及到传感器传输数据的应用场景中，SPE发挥了巨大作用。

汽车应用所需的数据负载较低，并且数据传输距离短，因此正适合早期SPE的技术应用。随着技术的发展，科学家们开始看到它在其他应用中的潜力——例如，工业和制造业的自动化。因此，随着技术的发展，日渐成熟的SPE适用于工业，物联网的网络架构。目前，各个制造领域的专家在协商后达成一致，提倡将SPE作为“建立IIoT的基础”，并支持传输协议、布线和设备组件的标准。尽管传统以太网已经在整个自动化金字塔中实施，但最低级别，也就是现场级别的设备仍然经常由现场总线协议控制。SPE提供了一种以太网解决方案，可以在从云到现场的所有级别的场景中实施，并消除了各种网络相互“对话”所需的对于网关和其他硬件的需要。

SPE技术的主要技术特点

传输特性

传统以太网需要两对电线才能实现100Mbps的数据传输速率，或者需要四对电线才能实现1Gbps的传输速率。SPE仅使用一对电线以1Gbps的速率传输数据，传输距离可达40m，或以10Mbps传输速率可达1km——这明显地减少了电缆尺寸、成本和复杂性。

精简成本

更轻、更薄、更便宜简单的设计以及随之而来的重量、空间和安装成本的显着降低，是在工业环境中应用的比较优势。SPE可使工业物联网中从现场传感器到云端的大量终端设备实现端到端的经济联接。一个新的IIoT项目可能会预计安装相当数量的新电缆。不过，由于SPE只需要整体传统物理电缆的四分之一(一对而不是四对)，因此成本可以大幅降低。SPE电缆的重量和直径也只有传统以太网铜缆的四分之一，可以更好地利用现有的管道空间。

网络拓扑标准化

SPE广受欢迎的一个关键原因是，它提供了在整个网络中实现网络协议标准化的机会。以前，以太网一直是绝大多数企业网络的搭建标准，但是到了现场，架构师会面临许多网络协议不匹配或不兼容的问题。SPE统一了网络标准：SPE在单双绞线上运行，可以在1km的距离内提供10mbps的传输速度，这是对10/100/1000BASE-T以太网标准下100米内最高传输速率的重大升级。这一IEEE802.3g以太网标准，也称为10BASE-T1L。BASE-T1标准最初的市场是汽车市场，但更近的802.3g使该标准也适用于智能建筑和工业物联网市场，其中一个原因是BUS系统只需要双对电缆，而不是老式的4对以太网。因此，从整个工业装置中数千个传感器和执行器的角度考虑，SPE可以大大节省成本。这种标准化意味着目前需要的一系列网关将不再被需要，并能够弥合以太网与BUS系统之间的差距。

SPE技术在工业物联网（IIoT）领域的应用

官方说法表明：“通过 IEEE 802.3cg 以太网标准（也称为 10BASE-T1L）实现的SPE 在单对双绞线上运行，可以在最远 1 公里的距离内提供高达 10mbps 的速率，这是对10/100/1000BASE-T 以太网标准下 100 米内最大传输速率的重大升级。BASE-T1标准的最初市场是汽车市场，但最近的 802.3cg 使该标准也适用于智能建筑和 IIoT 市场。”

SPE 作为 IIoT 基础架构，加快了传输速率，减少了部署的复杂性。在过去的现场部署过程中，需要使用多条用于快速 100 Mbps 以太网的导线，甚至需要更多Gbps 以太网导线。现在，使用 SPE 只需要两根电线即可获得数据和传输电力（power over data line - PoDL，通过数据线供电）。这大大降低了复杂性和成本，并能够超越现有边界。

SPE 的功率和距离

1 km的工作距离使 SPE 非常适合在更大的区域内实施 IIoT，无需复杂的网络设备即可实现对大型工厂或完整工业现场的覆盖。因为SPE使用单对供电技术为设备供电。虽然只能通过PoDL提供相对较低的功率，短距离提供约 50W 的功率，并且在整个 1km 内逐渐衰减，但对于低功率状态下运行的 IIoT 设备而言，它仍然是有益的。

SPE在CAT6 布线方面的优势也很显着。一个新的 IIoT 项目可能需要安装大量的新电缆。尽管如此，由于SPE 只需要整个物理电缆的四分之一（一对而不是四对），可以显着降低成本。SPE 电缆的重量和直径也只有传统以太网铜缆的四分之一，从而能够更好地利用现有导管空间并降低对导管承重的要求。最后，SPE通常可以在重新调整用途的现有 4 对铜缆上运行，从而进一步降低安装成本。

SPE技术在机器人等场景中的应用

提供可靠且有弹性的网络连接是成功部署工业自动化的基本要素。没有它，工业流程可能会失败，看看今天的任何工厂或生产设施，您可能会发现高度自动化这一共同特征。工业机器人和协作机器人、基于人工智能的机器视觉系统以及大量端点传感器和执行器的使用构成了大部分生产流程，目标是最大限度地提高生产资产的整体运营效率。为了实现这一目标，需要将一切都联网在一起，这是一项混合不同数据速率、服务质量和延迟要求的任务。SPE技术的高速运行以及安全性能可以大力推广应用在工业机器人的部署场景中，作业机器人将现场的情况通过IoT传感器发送给大数据云平台进行处理的过程，也将得益于SPE能够在1km内提供10mbps的传输速率这一特性，哪怕工厂与机房的距离很远也不用担心数据丢失。

SPE 支持从传感器到云环境的无障碍通信，有助于构建开放生态系统，支持实时和高速通信连接。

汽车自动驾驶应用的 SPE：由于添加到车辆中的功能越来越复杂，汽车行业是第一个采用 SPE 技术的行业。对于在狭小空间内降低布线复杂性和增加带宽的需求，SPE 技术是完美的解决方案。SPE已经在新一代汽车中取代了传统的总线系统，并且是实现自动驾驶系统的先决条件。

SPE技术的前景

SPE可以为IIoT部署提供极大的便利，尤其在汽车领域，例如最近的自动驾驶技术。虽然网络标准的不统一可能会在短期内引起某些问题和不方便，但长期的前景是光明的。展望未来，来自制造业和基础设施供应链的需求，在未来一段时间内，将为IIoT设备提供强大连接和电源的统一，其中SPE将是IIoT部署中的一个非常有力的概念。

读者可能有疑问：SPE的出现是否预示着标准工业以太网即将终结？面向多对以太网通信的重载连接器具有防水、防尘和防振功能，并具有不同的封装，可适应任何数量的工业应用。据有关科学家的观点，他们不认为这种流行的连接器会马上终结。他们表示：“单对以太网的优势主要在于自动化金字塔的较低层次，即使在最恶劣的环境中也能实现易于安装、小型和非常可靠的连接。然而，特别是在自动化金字塔的较高层次，传统以太网将会继续使用。数据聚合需要提供较大带宽，尤其是在与企业资源规划和制造执行系统对接时更是如此。如果真发生传统以太网终结的这种情况，那也是在很远的未来。因此大家大可不必担心传统网络的消失!

总结

本篇文章向大家介绍了什么是SPE技术、演变的历史、该技术的主要技术特点（传输特性、精简成本、网络拓扑的标准化）、SPE技术在IIoT领域及机器人等场景中的应用、SPE技术的前景，以及它是否会取代工业以太网。

从传统的现场总线和多对以太网过渡到单对以太网，SPE技术的优势主要总结如下:

更小、更薄、更轻的电缆，重量减轻 50%，空间要求更小
安装更快更容易，组装成本更低
降低自动化网络的复杂性，减少维护和维修
更少的铜和塑料用于降低材料成本和更可持续的资源使用
更长的电缆，传输距离可达 1km，适用于商业或工业环境
传输速度从 10Mbit/s 到 1GBit/s，可实现更快的通信和更高的性能

我们都有所了解的是，工业界一直在向更小体积、更高性价比、更轻重量的设计方向发展，这一定是工业未来发展的趋势，而科学家一直以来都在为这个目标不懈努力。网络协议的统一，安全性能的提升，速度达到理想状态是科学家以及用户的共同目标。在人类实现了这个目标的那一天，智能工业和智能汽车也就不再是遥不可及的梦想了。