發布日期：2022-04-17 點擊率：85
以太網是工業物聯網 (IIoT) 網絡中最受歡迎的有線網絡標準，擁有穩健的性能和經過驗證的可靠性。此外，以太網供電 (PoE) 通過同一根以太網電纜向傳感器和 IIoT 端點提供電源，從而減少布線。以太網也已成為乘用車標準，已在許多情況下取代了控制器區域網絡 (CAN) 串行協議。由于以太網的可靠性和高數據速率，讓自動駕駛和高級駕駛輔助系統 (ADAS) 擁有了明顯的優勢。
然而，在大型 IIoT 網絡中，以太網電纜束可能變得如此之大、如此之重、如此之累贅，以至于電纜束可能成為拖累設備的障礙物，而需要另行加固。這種問題對汽車應用的影響會特別嚴重，因為額外的重量和空間會降低容量和里程。在卡車、客運和貨運列車以及飛機等工業運輸應用中，可能會因為電纜的尺寸和重量過大而必須在系統設計中進行補償，從而增加成本并延長安裝時間。
為此，各大制造商推出了也支持數據線供電 (PoDL) 的單對以太網 (SPE) 連接器和電纜。SPE 只通過一對雙絞線提供高速數據傳輸并提供電源。本文將詳細介紹 SPE 在工業和運輸應用中的優勢。然后，討論 Phoenix Contact 的兩種 SPE 連接器，以及兩種適合 SPE 應用的 SPE 電纜。
以太網是商業和工業局域網 (LAN) 中最流行的有線網絡標準。使用最廣泛使用的版本是 10/100base-T 以太網，該網絡使用兩對雙絞線傳輸數據，而千兆位以太網則使用四對雙絞線。由于工業自動化系統需要更快的速度，現在越來越流行采用具有 PoE 功能的千兆位以太網來連接連接計算機和傳感器。通常情況下，雙絞線使用 24 AWG 銅線。這八根線通常被包裹在工業級 CAT5e 電纜內，且覆蓋有泡沫膠帶和箔屏蔽層。在大型工業設施中，可以看到數百條這樣的電纜分布在建筑物各處。這些電纜束可能會變得很重，穿過地板時會絆倒經過的人員，所以需要將其捆成線束，固定在墻壁和設備上。這些電纜束可能重達 50 磅 (lb) 或更多，如果不考慮到電纜帶來的額外重量，可能會拉傷或破壞電纜支撐系統，甚至使設備傾倒。
此外，傳統以太網電纜的長度限制為 100 m。對于較大型工業設施和樓宇自動化系統，有時必須使用中繼器來擴大以太網電纜的覆蓋范圍，以便到達遠程傳感器。這樣，在增加系統復雜性同時，還會引入另一個需要維護的點。由于鋪設這些厚重的電纜會增加時間和費用，顯然需要一種更好的布線方法取而代之。
SPE 使用一根雙絞線提供雙向數據創術并提供電源。這種電纜長達 1000 m，在不使用中繼器的情況下延長了聯網傳感器的覆蓋范圍。這樣會大大降低重量，并通過簡化布局簡化安裝。與傳統的以太網相比，可實現極高的電源效率，且所需面積更小，安裝、維護成本更低。雖然工業系統可以使用屏蔽護套來防止電纜束相互干擾，但也支持使用輕型非屏蔽電纜。這在汽車應用中是一個優勢，使得輕型電纜在空間有限的地方布線變得更容易，如座椅和腳踏板下方。SPE 的電纜更小、更輕，而且通過單根高性價比絞線對實現了高數據傳輸速率傳輸和供電能力。SPE 憑借這些優勢有望成為一種流行的、甚至是主導市場的工業通信標準。
IEEE 關于 10 兆比特每秒 (Mbit/s) SPE 的正式規范是 802.3cg。該標準支持全雙工數據通信，最長可達 1000 m。
IEEE 802.3bw支持全雙工數據通信，最高數據速率可達 100Mbits/s，電纜最長可達 50米。該標準針對工業應用和一些汽車應用中的高速傳感器。
IEEE 802.3bp 支持全雙工數據通信，速度高達 1000Mbits/s，電纜長度可達 15 m。在這種電纜長度下，該標準適用于一些工業傳感器應用，尤其適用于高清視頻以及小型飛機和商業汽車應用，在這些應用中，高速傳感器數據必須在相對較短的距離內傳輸。
目前，IEEE 802.3ch 支持 10 千兆比特每秒 (Gbps) 傳輸速率，電纜長度可達 15 m。該標準與 802.3bp 類似，但包括物理層 (PHY)。這主要是針對商業汽車和工業運輸應用，在這些應用中，高數據率、較小的電纜直徑，特別是較小的重量是非常重要的系統設計考慮因素。
帶有 PoDL 的 SPE 通過同一雙絞線向以太網傳感器或端點提供電源，輸送的電源功率由電纜的長度和線規決定。在使用 14 AWG 電線的最大長度為 1000 m 時，IEEE 規范允許端點電壓為 60 V，功率 13.53 W。
工業 SPE 連接不使用 RJ45 連接器，而是使用新的 IEC 63171 T1 連接器標準。Phoenix Contact 提供一系列針對工業應用的 SPE 連接器和電纜。
對于需要 IP67 耐用性能的工業 SPE 應用，Phoenix Contact 提供一個真正的 M8 連接器——使用 1163793 SPE M8-2 插件和 1412502 M8 外殼（圖 1）。外殼和插件組件的組合提供 IP67 保護，適合惡劣的工業環境。輕型組件也適用于航空和運輸系統。
圖 1：Phoenix Contact 1163793 M8-2 插件（左）和 1412502 M8 外殼（右）組裝后可提供一種真正的具有 IP67 級性能的 SPE M8 解決方案。（圖片來源：Phoenix Contact）
該連接器組件可在 4 A 時提供高達 72 V 的 PoDL，其額定溫度范圍為 -40°C 至 +85°C，因此適合在戶外環境中為 IIoT 端點和傳感器節點供電。采用流行的 M8 連接器形式，系統制造商能夠很容易地將現有的帶有 M8 連接器的傳感器和設備改裝成 SPE。SPE 連接器組件使用標準的 SPE M8-2 連接器模式，帶有 D 編碼，以確保只有 SPE 電纜插入連接器組件。
SPE 也適用于包括辦公環境內內的企業系統，因為重量更輕、直徑更小的電纜更容易制造和布線。IP67 工業應用可以使用相同的 SPE 網絡與這些企業系統輕松進行交互。對于通常需要 IP20 保護的企業應用，Phoenix Contact 的 1163797 SPE 模塊插座是一種非常合適的解決方案。這是一種采用通孔焊的 IEC 63171 插座，帶有一個鎖定夾，以確保電纜連接牢固（圖 2）。
圖 2：Phoenix Contact 的 1163797 模塊化 SPE 插孔與所有的現行 SPE 標準兼容。其額定供電電壓為 72 V，電流為 4 A。（圖片來源：Phoenix Contact）
M8-2 插件采用鍵控結構，可防止誤連接。該插孔含兩個鍍金銅合金插頭，可將接觸電阻保持在最低水平，使其能夠在 4 A 時提供高達 70 V 的 PoDL。M8 采用黃銅表面鍍鎳外殼，以提高耐腐蝕性。
1163797 支持目前所有的 802.3cg/bu/bw/bp SPE 連接器規范。該器件可以耐受惡劣的環境，規定的插入和拔出次數 750 次，防護等級為 IP20，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃，尺寸為 5 x 8.35 x 14.2 mm。這使得該器件適合于在單板計算機 (SBC) 以及可編程邏輯控制器 (PLC) 上進行焊接安裝，因為這些設備上的電纜偶爾會被替換。這些經驗證是有用的場景示例包括了可能需要為不同產品組件重新配置的制造設施。
對于短的 SPE 連接，Phoenix Contact 提供 1183808 2 m SPE 電纜。這種電纜支持 PoDL，電壓高達 72 V，電流 4A，并且每個電纜端接部分都有兩個 SPE 插座（圖 3）。傳統的以太網在電纜末端有插孔，在端點有插座，而 SPE 硬件則相反。
電纜護套由聚氨酯制成，可抵抗紫外線 (UV)、耐磨損和耐受大多數溶劑。聚氨酯電纜還能抵抗因暴露在陽光和水下環境而引起的收縮和裂紋，以及工業環境中常見的濫用情況。為防止電磁干擾，這種電纜采用鍍錫銅編織屏蔽層保護，且屏蔽層由具有塑料涂層的鋁箔層包裹。因此，這種電纜適用于電噪聲環境，尤其適合與其他高速電纜捆綁在一起的情況。
圖 3：Phoenix Contact 的 1183808 SPE 電纜長 2 m，采用聚氨酯保護套。這種電纜能夠屏蔽 EMI，并支持高達 1000Mb/s 的數據速率。（圖片來源：Phoenix Contact）
電纜插座采用銅合金觸頭，支持符合 802.3cg 標準的 10 Mb/s 數據傳輸速率以及 100 Mb/s 802.3bw 傳輸速度。最高傳輸速率為 802.3bp 1000 Mb/s，這不僅適合于傳感器，也適合于高清 (HD) 視頻監控設備。
雖然電纜護套不受水和灰塵的影響并具有 UL94V0 的阻燃性能，但鑒于電纜終端連接器，該電纜組件的防護等級為 IP20。每個連接器都有一個鎖扣，可以將電纜安全地連接到插孔端點。這種鎖定機構是 SPE 連接器標準的一部分，可防止在繁忙的環境中被意外拆除。該電纜的額定工作溫度為 -40°C 至 +85°C，插拔次數高達 750 次。該產品適合在室內使用接插板，以及 IIoT 傳感器和 SPE 接線盒之間的連接。
對于需要更長電纜的應用，Phoenix Contact 提供 1183811 5 m SPE 電纜，其規格與 1183808 相同。
在 IIoT、汽車和企業等應用中轉而采用 SPE，有助于設計者既能滿足對更輕、更小、更易用的高速連接解決方案的需求，又能降低成本。然而，設計者在部署基于 SPE 的網絡時，必須謹慎選擇他們要使用的連接器和電纜，以確保在惡劣的周圍環境和電氣噪聲中的實現可靠連接。
如圖所示，通過各種版本的連接器，IP20 級企業系統可以使用真正的 M8 SPE 連接器與 IP67 工業控制系統輕松互連，從而在這兩種環境中提供無縫連接和電源傳輸。有了 PoDL 附加功能，SPE 連接使得在企業和工業環境中向 IIoT 端點提供電源和數據變得輕而易舉，而無需額外布線，從而能大大簡化并精簡部署工作。
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