連接——可持續(xù)自動(dòng)化的支柱

作者：Dr. Matthias Laasch, laasch:tec technology editorial consulting

SPE、PoDL 和以太網(wǎng) APL 等技術(shù)克服了工業(yè)通信的傳統(tǒng)限制。先進(jìn)的信號(hào)、數(shù)據(jù)和電力接口在此至關(guān)重要：它們能幫助自動(dòng)化供應(yīng)商節(jié)省生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)時(shí)的資源和成本。

數(shù)字化和無(wú)縫數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)使企業(yè)流程滲透到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，這是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)持久趨勢(shì)。其目標(biāo)就是打造高度靈活的生產(chǎn)環(huán)境，可根據(jù)客戶要求進(jìn)行定制，以達(dá)到前所未有的多樣化和生產(chǎn)率水平。為此，在“工業(yè) 4.0”的大背景下，制造業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)顛覆性的變革，而可持續(xù)利用所有可用資源則是其中最重要的一個(gè)方面。

從現(xiàn)場(chǎng)到云端的無(wú)縫連接

機(jī)器、產(chǎn)品以及最終與人之間的無(wú)縫連接是這一變革的特征，它正開(kāi)始大規(guī)模穿透運(yùn)營(yíng)技術(shù) (OT) 和信息技術(shù) (IT) 之間的傳統(tǒng)界限。如今，有了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，即使是現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備也能通過(guò) TCP/IP 與公司的云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)寬帶、低成本的無(wú)縫互聯(lián)。與現(xiàn)場(chǎng)總線不同，工業(yè)以太網(wǎng)橫跨自動(dòng)化的各個(gè)層面——從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到云端，端到端。因此，工廠和車(chē)間操作員可以實(shí)時(shí)訪問(wèn)設(shè)備數(shù)據(jù)，并將其用于生產(chǎn)規(guī)劃、流程控制和數(shù)據(jù)分析。

例如，工業(yè)以太網(wǎng)可以實(shí)時(shí)采集和分析來(lái)自傳感器、電源或驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)。通過(guò)臨界點(diǎn)的溫度變化或振動(dòng)信息以及負(fù)載曲線，可以得出優(yōu)化工藝參數(shù)的結(jié)論。當(dāng)預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)過(guò)載情況時(shí)，它們會(huì)發(fā)出報(bào)警，并提示需要及早進(jìn)行維護(hù)。在這方面，預(yù)測(cè)性維護(hù)尤為重要，因?yàn)樗梢詭椭僮鲉T提高設(shè)備和機(jī)器的可用性，并最大限度地減少能源消耗和資源使用——這一方面降低了作業(yè)成本，另一方面也大大提升了工藝設(shè)備和工廠車(chē)間的可持續(xù)性。

堅(jiān)固耐用的 RJ45 替代品

這些網(wǎng)絡(luò)（尤其是工業(yè)以太網(wǎng)）的物理骨干器件是高性能互連技術(shù)，可在自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可靠地傳輸信號(hào)和數(shù)據(jù)。除了在工業(yè)應(yīng)用中需要物理上的堅(jiān)固性之外，這些解決方案如今還面臨著許多新的挑戰(zhàn)，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)巨大、微型化或高傳輸帶寬挑戰(zhàn)等。其中特別是要：外形小巧、減少安裝和布線工作量、高信號(hào)完整性（即精確的電磁干擾屏蔽）以及長(zhǎng)距離傳輸可靠性。后者在廠區(qū)擴(kuò)大時(shí)尤為重要。使用數(shù)據(jù)連接器的設(shè)備對(duì)電源的要求也越來(lái)越高。

以太網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口是廣泛使用的 RJ45 連接器。用戶經(jīng)常報(bào)告觸頭或閉鎖元件損壞的問(wèn)題；RJ45 還因其尺寸而限制了其微型化。相比之下，德國(guó)供應(yīng)商 [HARTING]的 [ix Industrial 接口]（圖 1）等替代品體積更小，更加堅(jiān)固耐用，尤其是抗沖擊和抗振動(dòng)能力更強(qiáng)。據(jù)制造商稱，與標(biāo)準(zhǔn) RJ45 相比，電路板上的空間最多可節(jié)省 70%。360° 屏蔽連接器專為 10 Gbit/s 以太網(wǎng)通信而設(shè)計(jì)，與 PoE（以太網(wǎng)供電）以及用于電力傳輸?shù)?PoE+ 兼容。

圖 1：比標(biāo)準(zhǔn) RJ45 連接器更小、更堅(jiān)固：HARTING 的工業(yè)以太網(wǎng)接口 ix Industrial。（圖片來(lái)源：HARTING）

ix Industrial 是 HARTING 與日本連接器專家 [Hirose]共同開(kāi)發(fā)的接口。其尺寸、電氣性能和編碼符合 IEC 61076-3-124 標(biāo)準(zhǔn)。其他制造商，如美國(guó)公司 [Amphenol Communications Solutions]，也提供了與 ix Industrial 性能相當(dāng)?shù)目苫ヅ洚a(chǎn)品：例如，[適用于惡劣環(huán)境]的防護(hù)等級(jí)為 IP65/66/67 的推拉式連接器、集成磁鐵的 [ix Mag 連接器]（圖 2），或帶有斜角 RJ45 連接器的 [以太網(wǎng)轉(zhuǎn) RJ45 電纜組件]；它們同時(shí)提供 100Gb 以太網(wǎng)和 PoE/PoE+ 功能。

圖 2：Amphenol ix Mag：最高 10 Gb/s 的以太網(wǎng)通信速度、360° 屏蔽和最高 90 W 的 PoE++（圖片來(lái)源：Amphenol Communications Solutions）

ix Industrial 用例

下例說(shuō)明了高性能、小型化以太網(wǎng)接口在工業(yè) 4.0 應(yīng)用中的巨大潛力：

自動(dòng)化專家 Beckhoff 的 XTS 線性傳輸系統(tǒng)是一種驅(qū)動(dòng)解決方案，使用磁力驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)裝置沿著全集成的電機(jī)模塊軌道移動(dòng)。Beckhoff 認(rèn)為，這些可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)曲線的獨(dú)立控制裝置是新機(jī)器概念的起點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)更靈活的制造流程（如設(shè)備換裝），縮短了停機(jī)時(shí)間。

為了讓移動(dòng)裝置遵循其運(yùn)動(dòng)模式，計(jì)算機(jī)必須不斷計(jì)算各個(gè)電機(jī)模塊的開(kāi)關(guān)和電流供應(yīng)。為此，總共可以將三塊電腦板組合在一起，每塊電腦板以前都有四個(gè) RJ45 插座作為端口。為了在不改變系統(tǒng)尺寸的情況下，讓更多的移動(dòng)裝置在最新一代的 XTS 系統(tǒng)中運(yùn)行，RJ45 插座被 HARTING 的 ix Industrial 接口取代?？煽康钠帘魏透邤?shù)據(jù)吞吐量在這里是主要要求。與 RJ45 不同，每個(gè) ix Industrial 連接器可連接兩個(gè) 100-Mbit/s 以太網(wǎng)。因此，在同一塊電路板上可以安裝八個(gè)而不是四個(gè)端口，每個(gè)端口可以安裝兩個(gè)而不是一個(gè)以太網(wǎng)通道。

因此，在三塊計(jì)算機(jī)板上實(shí)現(xiàn)了 48 個(gè)端口，而不是 12 個(gè)端口。于是，采用最新一代的 XTS 系統(tǒng)后，每個(gè)單元可使用 48 條 XTS 線路，而不是 12 條，這相當(dāng)于將運(yùn)輸系統(tǒng)的性能提高了 400%。

兩線，而非四線或八線

當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是從層次架構(gòu)向去中心化架構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這些設(shè)備被認(rèn)為是先進(jìn)的，特別富有成效，而且還能提高網(wǎng)絡(luò)安全性。這是因?yàn)?a target="_blank">智能傳感器或邊緣計(jì)算機(jī)等智能節(jié)點(diǎn)能夠自主執(zhí)行某些數(shù)據(jù)處理任務(wù)，從而減少了邊緣和云之間的敏感數(shù)據(jù)流量。去中心化管理的優(yōu)勢(shì)不言而喻，但現(xiàn)場(chǎng)連接設(shè)備的數(shù)量正在大幅增加，布線和連接的工作量也在不斷增加。從材料和安裝工作量以及能源消耗的角度來(lái)看，經(jīng)濟(jì)地使用這些設(shè)備正在成為生產(chǎn)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。

單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 被認(rèn)為是效率和成本效益方面的決定性突破。這種通信技術(shù)由 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；IEC 63171-x 系列標(biāo)準(zhǔn)適用于相應(yīng)的連接器。從根本上說(shuō)，它使現(xiàn)場(chǎng)組件只需通過(guò)一個(gè)雙絞線對(duì)（即兩根線而不是以前的四根線甚至八根線）即可連接：成本低、節(jié)省資源，因此可持續(xù)性極佳。SPE 最初是為汽車(chē)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在已能滿足許多自動(dòng)化供應(yīng)商的要求：?jiǎn)尉€對(duì)使他們能夠?qū)⒋罅績(jī)x器、控制器和其他設(shè)備以千兆位數(shù)據(jù)速率集成到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中（圖 3）。

圖 3.單對(duì)以太網(wǎng)能夠以節(jié)省資源和成本的方式將現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備集成到寬帶以太網(wǎng)通信中。（圖片來(lái)源：SPE Industrial Partner Network）

另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：由于具有 PoDL 兼容性（數(shù)據(jù)線供電，IEEE P802.3bu），同一對(duì)電線不僅能向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，還能傳輸電力。在以前的 PoE 供電功率范圍內(nèi)，除了執(zhí)行器和傳感器外，還可以連接基于相機(jī)的儀器，并通過(guò) PoDL 供電。

單對(duì)以太網(wǎng)產(chǎn)品

在 SPE 領(lǐng)域，HARTING 憑借其 [T1 連接器]（包括鎖定和 360° EMI 屏蔽）占據(jù)了一席之地（圖 4）。支持 PoDL 的 T1 采用圓形設(shè)計(jì)，提供 M8 和 M12 兩種規(guī)格。就防護(hù)等級(jí)而言，該產(chǎn)品提供從 IP20 到 IP67 不同等級(jí)選擇，按照制造商的說(shuō)法，相應(yīng)的接口對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)符合防護(hù)等級(jí)并確保了互操作性。

圖 4：屏蔽和配備鎖定功能——支持 PoDL 的 T1 防護(hù)等級(jí)為 IP20 至 IP67。（圖片來(lái)源：HARTING）

[Phoenix Contact]還提供一個(gè)全面的 [SPE 產(chǎn)品組合，用于]控制柜、傳感器、開(kāi)關(guān)和網(wǎng)關(guān)之間的現(xiàn)場(chǎng)布線。該供應(yīng)商的產(chǎn)品包括用于工業(yè) IP20 至 IP67 環(huán)境的電路板連接器或電纜組件等。

開(kāi)源工具提供商 [SparkFun Electronics]提供了 SPE 功能板，以支持開(kāi)發(fā)人員使用單對(duì)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用（圖 5）。該電路板名為 [MicroMod COM-19038]，包括一個(gè) [Analog Devices] 的 ADIN1110 以太網(wǎng)收發(fā)器、[Würth Elektronik] 的無(wú)源元件和一個(gè) HARTING T1 連接器。集成的 MAC（媒體訪問(wèn)控制）接口可在全雙工模式下以 10 Mb/s 的速度與主機(jī)控制器進(jìn)行串行通信。電路板通過(guò) 1700 米長(zhǎng)的電纜支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，但不能通過(guò)該電纜為節(jié)點(diǎn)供電。SparkFun 的 CTO Kirk Benell [在一個(gè)演示視頻中介紹了該開(kāi)發(fā)板]。

圖 5：帶有顯示屏的環(huán)境傳感器演示器。（圖片來(lái)源：SparkFun Electronics）

流程技術(shù)中的端到端聯(lián)網(wǎng)

單對(duì)以太網(wǎng)有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如在狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)，也有利于流程自動(dòng)化。不過(guò)，這里適用針對(duì)以太網(wǎng)連接的擴(kuò)展要求規(guī)范。除了強(qiáng)大的寬帶實(shí)時(shí)通信（車(chē)間也需要），范圍廣泛的加工設(shè)備還需要遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。此外，自動(dòng)化組件必須本質(zhì)安全，以便在潛在爆炸環(huán)境中使用。這就是所謂的以太網(wǎng)高級(jí)物理層（以太網(wǎng) APL）的由來(lái)：它定義了物理傳輸層，用于 10 Mb/s 以太網(wǎng)通信，以及通過(guò)一根雙線（與 SPE 一樣）供電，傳輸距離可達(dá) 1000 米。與 SPE 一樣，以太網(wǎng) APL 也非常適合用于通用的多用途現(xiàn)場(chǎng)儀表。

結(jié)語(yǔ)

工業(yè)以太網(wǎng)，特別是單對(duì)以太網(wǎng)，支持生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)寬帶聯(lián)網(wǎng)。它們可實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)到云端的無(wú)縫通信，并允許實(shí)時(shí)訪問(wèn)設(shè)備數(shù)據(jù)，從而為操作員優(yōu)化工廠和流程提供支持。它們?cè)诮档妥鳂I(yè)成本、提高可用性以及優(yōu)化能源和資源利用方面的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。像 ix Industrial 接口和具有 PoDL 功能的 SPE 連接器這樣的高級(jí)連接技術(shù)，可確保所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)和電力傳輸。這使之成為工業(yè) 4.0 的關(guān)鍵組件和可持續(xù)自動(dòng)化概念的支柱。