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单对以太网:工业RJ45的终结?

时间:2019-09-05 作者:Sally Ward-Foxton,EE Times Europe特约编辑 阅读:
工业物联网(IIoT)和工业4.0等大趋势正在推动工业自动化和智能工厂方面有线连接的新标准。将物联网技术应用到工业环境,其中的传感器节点不需要太大的功率或带宽,但需要可靠、高效的通信。互联工厂中的工业4.0应用还需要快速、可靠的传输——在某些情况下要接近实时通信,或者至少在规定的时间窗口内保证传输。另一个趋势是以太网协议正扩展到新的应用领域,例如运输(火车、有轨电车和飞机)。

工业物联网(IIoT)和工业4.0等大趋势正在推动工业自动化和智能工厂方面有线连接的新标准。将物联网技术应用到工业环境,其中的传感器节点不需要太大的功率或带宽,但需要可靠、高效的通信。互联工厂中的工业4.0应用还需要快速、可靠的传输——在某些情况下要接近实时通信,或者至少在规定的时间窗口内保证传输。

另一个趋势是以太网协议正扩展到新的应用领域,例如运输(火车、有轨电车和飞机)。汽车行业已经决定使用以太网来替代旧有的控制器局域网(CAN)总线系统,这种技术可以为高级驾驶辅助系统(ADAS)和信息娱乐系统提供更高的数据速率。在这种要求苛刻的应用中,单对以太网(SPE)仅使用一对双绞铜线,就可以以与CAN电缆相近的重量提供所需的数据速率。

现代互联工厂的需求以及新应用采用以太网的趋势都说明,单对双绞线以太网会成为未来工业通信应用的主要竞争者。

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“无论从经济还是技术角度看,单对以太网都具备条件,可以把所有设备集成到智能网络中。”——ERIC LEIJTENS,TE CONNECTIVITY

由于单对以太网仅使用两根电线,因此其布线简单、便宜、重量轻且易于安装。虽然在范围和数据速率之间存在折衷,但汽车业已使用这种介质实现了高达1Gbps的数据速率,而这对大多数工业应用来说已经足够。

“在过去的30年里,以太网的发展一直专注于人与人之间的连接,而对于SPE来说,以太网的开发也首次将重点放在了连接万物上。”泰科电子(TE Connectivity)全球产品管理执行官兼总经理Eric Leijtens表示——这里,他指的是需要小型轻便布线的低数据速率应用。“单位节点成本低、易于安装、布线灵活(仅使用两根电线)、可以以较低带宽实现较长通信距离,是该技术的明显优势。因此,无论是从经济还是技术角度来说,它都有条件将所有设备集成到智能网络中。”

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图片来源:TE CONNECTIVITY

对于集成工业应用来说,采用以太网技术可实现从云端一直到传感器节点的基于互联网协议(IP)的端到端通信。从长远来看,这种单一协议可以取代或至少可以精简当前在用的某些现场总线协议。转向基于标准的协议可提高互操作性,这样就不再需要将时间浪费在不同设备不同协议的转换上。以太网还可以简化设备的参数设置、初始化以及编程。

“SPE正在运输等与智能工厂相邻的行业中受到欢迎。”Leijtens指出,“该技术在这些行业取得巨大成功,这将确保其在未来几十年内都可使用。因此,该技术对工业市场很有意义。这项技术可用于连接自动化金字塔的最下面几层。我们预计将它应用于边缘计算以及其他特定应用将会从中得到很多好处。”

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以太网通过单对双绞线为工业应用提供简单、小巧、轻便的连接解决方案。(图片来源:Harting)

浩亭(Harting)的产品与应用经理Kevin Canham也注意到SPE在自动化技术中的重要性,他说它正在这一领域“有针对性地继续发展”。他补充说,该技术简单易用,在重量、空间要求和安装工作量上都可实现相应降低,这表明它将在自动化技术、铁路行业以及整个行业内实现普及。

技术规格

目前,单对以太网在汽车应用中的使用包括两个版本。对于轿车来说,采用非屏蔽双绞线(UTP)电缆实现100Base-T1传输可以减轻重量——范围可达15m(IEEE 802.3bw有规定)。对于卡车和公共汽车来说,电磁兼容性(EMC)环境更加苛刻,在这样的环境下,业界是使用屏蔽双绞线(STP)电缆来实现1000Base-T1传输,其范围可达40m(IEEE 802.3bp)。

工业应用会使用新的变体——10Base-T1(10Mbps)。IEEE 802.3cg工作组也在开发两种版本:10Base-T1S的范围为15米,10Base-T1L的范围为1000米。为了实现更长的范围,可以采用较低的频率来降低衰减——T1L使用20MHz收发器,而T1S则使用200MHz。两者都将提供数据线供电(PoDL)功能(IEEE 802.3bu)。

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将Harting T1配合面与各种连接器外壳配合使用,可以满足不同的应用要求。

与任何新技术一样,它需要开发包括物理层(PHY)芯片、电缆、连接器和测试解决方案在内的新生态系统。目前,国际电工委员会(IEC)已对连接器发起一次国际性的选择过程,针对10Base-T1确定了两种配合面(mating face)设计。第一种是基于康普(CommScope)公司的设计,用于楼宇自动化应用(IEC 63171-1有规定)。第二种是针对工业应用,根据的是Harting的提案(IEC 63171-6)。

标准面

为工业应用选择的配合面是基于Harting T1设计。“从概念上看,Harting T1工业连接器是针对更高带宽(数据速率从10Mbps到千兆SPE)以及集成工业中的严苛工业环境而设计。”Canham表示,“也就是说,它可以为整个IIoT生态系统提供必要的基础设施,并提供整套解决方案,以实现与云或与边缘计算设备的连接。”

新的工业连接器与汽车SPE连接器有很大不同。“虽然配合面相似,但Harting产品设计更加坚固,适用于工业环境。”Canham说,“它具有由不锈钢制成的金属锁定系统。而汽车环境中的要求没有那么严格,因此更常用的是摩擦锁定或塑料闩锁。这样在汽车量产时也可实现成本降低。”

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适用于MICE1(IP20)环境的Harting T1 SPE连接器和插座

Harting的双引脚SPE配合面设计可以集成到一系列MICE等级的连接器中(MICE指的是抗机械冲击/抗振性、IP防护、耐化学腐蚀和EMC兼容性)。MICE 1级对应IP20,适用于标准办公环境;MICE 2适用于坚固部件,可为工厂车间提供额外保护;MICE 3是最高等级,是指面向户外应用和恶劣工业环境的全保护式连接器。

“从IP20到IP65/67环保应用,Harting的SPE配合连接系统可插入各种连接器外壳。”Canham表示,“这种设计可集成到当今自动化市场中的常用接口,例如M8和M12规格。对于最高的MICE等级,配合面可以集成到M8或M12全密封产品中。将来,它们将以M8/M12插拔自锁版本供货,以便提高连接速度。”

连接器供应链

虽然Harting正在开发用于工业SPE的产品组合,但T1配合面设计的知识产权却是免费提供,这样,其他公司就可以开始设计自己的兼容连接器。各个公司仍然可以根据自己的创新,例如电缆和连接器之间的连接以及连接器外壳,来区分其产品。这样就可实现涵盖不同速度、完整性、坚固性、尺寸和成本选择的产品生态系统。

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Harting已经宣布与TE Connectivity和Hirose正式合作。

Harting已经宣布与TE和广濑(Hirose)正式合作。

“TE在SPE方面颇有成效,向市场推出解决方案已有四年时间,我们看到SPE在许多不同应用当中都有使用。”TE的Leijtens表示,“TE的工业SPE连接器完全符合IEC 63171-6标准,可与SPE生态系统中的元件无缝协作,而为工业物联网提供基础设施。IEC标准为IP20和IP67环境提供了灵活解决方案,例如具有不同的供电选择。该系统可根据不同的应用需求进行灵活扩展。”

TE的设计与其汽车SPE连接器是否有任何相似之处?

“TE的工业SPE连接器可共享相同的TE技术,提供类似的可靠性和性能等级。”Leijtens说,“它们主要用于设备到设备的连接,并且在连接技术和电源解决方案方面具有灵活性。”

RJ45末日已到?

单对以太网的出现是否预示着标准工业RJ45连接器即将终结?面向多对以太网通信的8P8C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。

TE的Leijtens不认为这种流行的连接器会马上终结。“单对以太网的好处主要是在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。”他表示,“然而,特别是在自动化金字塔的较高层次,RJ45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。”

Harting的Canham却认为,工业RJ45最终有可能终结,但是如果真发生这种情况,那也是在较远的某个时候。

“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。”Canham表示,“SPE连接器可以提供与RJ45类似的性能特性,而如果芯片制造商加速布局,就像在汽车行业一样,它很可能受到工业界欢迎。”

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 “Harting T1可以为整个IIoT生态系统提供必要的基础设施。”——KEVIN CANHAM,HARTING

“目前在全球RJ45连接有数十亿个,消亡起来可能还要经历很长时间,但是哪天我们永远不会知道。”

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。

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