工業物聯網(IIoT)和工業4.0等大趨勢正針對工業自動化和智慧工廠推動有線連接的新標準。在工業環境中導入物聯網技術時,其中的感測器節點並不要求太大的功率或頻寬,但需要可靠且高效率的通訊。連網工廠中的工業4.0應用還要求快速、可靠的傳輸——在某些情況下甚至必須接近即時通訊,或者至少確保在規定的時間限制內進行傳輸。

另一個發展趨勢是乙太網路(Ethernet)協定正擴展到新的應用領域,例如交通運輸(火車、輕軌電車和飛機)。汽車產業已經決定使用乙太網路來取代舊的控制器區域網路(CAN)系統,新的技術可以為先進駕駛輔助系統(ADAS)和車載資訊娛樂系統提供更高的資料速率。在這些要求嚴苛的應用中,單對乙太網路(Single-pair Ethernet;SPE)僅使用一對雙絞銅線,就能以相當於CAN電纜的份量提供所要求的資料速率。

現代連網工廠的需求以及新應用採用乙太網路的趨勢匯流,意味著單對雙絞線乙太網路將會成為未來工業通訊應用的主要競爭技術。

「無論從經濟還是技術角度來看,單對乙太網路都有能力整合所有裝置到智慧型網路。」——TE Connectivity工業通訊全球產品經理Eric Leijtens

由於SPE僅使用兩根電線,因此其佈線簡單、便宜、重量輕且易於安裝。雖然在傳輸範圍和資料速率之間存在折衷,但汽車產業已使用這種介質實現了高達1Gbps的傳輸速率,這對於大多數工業應用來說已經足夠。

泰科電子(TE Connectivity)工業通訊全球產品經理Eric Leijtens表示,「過去30年來,乙太網路的發展一直著重於人與人之間的連接,隨著SPE的崛起,乙太網路的發展首次將重點放在連接萬物上。」在此,他指的就是需要小型輕便佈線的低資料速率應用。「單位節點成本低、易於安裝、佈線靈活(僅使用兩根電線),還能以較低頻寬實現更長通訊距離,是該技術的明顯優勢。因此,無論是從經濟還是技術角度來說,它都有條件將所有裝置整合到智慧網路中。」

對於工業應用來說,採用乙太網路技術可實現從雲端一直到感測器節點、基於網際網路協定(IP)的端對端通訊。從長遠來看,這種單一協定可以取代或至少精簡當前使用中的某些現場匯流排協定。轉向基於標準的協定可以提高互通性,因而無需再將時間浪費在不同裝置的協定轉換上。乙太網路還可以簡化裝置的參數設置、初始化以及程式設計。

「SPE正在運輸與智慧工廠的相鄰產業中受到歡迎。」Leijtens指出,「該技術在這些產業中取得巨大成功,將確保其於未來幾十年內都可使用。因此,該技術對於工業市場別具意義。這項技術可用於連接自動化金字塔的最底下幾層。預計邊緣運算與特定應用將率先導入這項技術,並從中獲益良多。」

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乙太網路透過單對雙絞線為工業應用提供簡單、小巧且輕便的連接解決方案。(圖片來源:Harting)

浩亭(Harting)產品與應用經理Kevin Canham也注意到SPE在自動化技術的重要性,他指出該技術正以「有目標的方式在此領域發展」。他並補充說,該技術簡單易用,讓重量、空間要求和安裝工作量上都可以相應地減輕,顯示將普及於自動化技術、鐵路產業以及整個產業。

技術規格

目前,單對乙太網路在汽車應用中包括兩個版本。對於客車來說,採用無遮蔽式雙絞線(UTP)電纜實現100Base-T1傳輸可以減輕重量——範圍可達15m (依據IEEE 802.3bw規定)。對於卡車和公共汽車來說,電磁相容性(EMC)環境更加嚴苛,因而使用遮蔽式雙絞線(STP)電纜來實現1000Base-T1傳輸,其範圍可達40m (IEEE 802.3bp)。

工業應用將會使用新的變化版本——10Base-T1(10Mbps)。IEEE 802.3cg工作小組也在開發兩種版本:10Base-T1S的範圍為15m,而10Base-T1L的範圍為1,000m。為了實現更長的範圍,可以採用較低的頻率來降低衰減——T1L使用20MHz收發器,而T1S則使用200MHz。二者都將提供數據線供電(PoDL)功能(IEEE 802.3bu)。

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Harting T1接合面能與各種連接器外殼搭配使用,滿足不同的應用要求。

如同任何新技術一樣,未來還需要開發包括實體層(PHY)晶片、電纜、連接器和測試解決方案的新生態系統。目前,國際電子電機委員會(IEC)已針對連接器發起一次國際性的選擇過程,針對10Base-T1確定了兩種接合面(mating face)設計。第一種是基於康普(CommScope)公司的設計,用於建築物自動化應用(依IEC 63171-1規定)。第二種是針對工業應用,根據的是Harting的提案(IEC 63171-6)。

標準面

為工業應用選擇的接合面是基於Harting T1的設計。「從概念上看,Harting T1工業連接器是針對更高頻寬(資料速率從10Mbps到Gigabit SPE)以及整合工業中的嚴苛工業環境而設計。」Canham表示,「也就是說,它可以為整個IIoT生態系統提供必要的基礎設施與配套解決方案,以實現與雲端或與邊緣運算裝置的連接。」

新的工業連接器與汽車SPE連接器有很大不同。「雖然接合面相似,但Harting的產品設計更加堅固,適用於工業環境。」Canham說:「它具有由不銹鋼製成的金屬鎖定系統。而汽車環境中的要求沒有那麼嚴格,因此更常用的是緊縮鎖定或塑膠閂鎖。這樣在汽車量產時也可以降低成本。」

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適用於MICE1(IP20)環境的Harting T1 SPE連接器和插槽。

Harting的雙接腳SPE接合面設計可以整合到一系列MICE等級的連接器中(MICE指的是抗機械衝擊/抗震性、IP防護、耐化學腐蝕和EMC相容性)。MICE 1級對應IP20,適用於標準辦公環境;MICE 2適用於堅固元件,可為工廠提供額外保護;MICE 3是最高等級,是指針對戶外應用和更惡劣工業環境的完整保護式連接器。

「從IP20到IP65/67環境保護應用,Harting的SPE接合連接系統可插入各種連接器外殼。」Canham表示,「這種設計可整合到當今自動化市場中的常用介面,例如M8和M12規格。對於最高的MICE等級,接合面可以整合到M8或M12完全密封產品中。未來,它們將以M8/M12插拔版本供貨,以提高連線速度。」

連接器供應鏈

雖然Harting正在開發用於工業SPE的產品組合,但T1接合面設計的智慧財產權(IP)卻是免費提供的,讓其他公司也可以開始設計自己的相容連接器。各個公司仍然可以根據自己的創新,以差異化其產品,例如電纜和連接器之間的連接以及連接器外殼等。這樣就可實現涵蓋不同速度、完整性、堅固性、尺寸和成本選擇的產品生態系統。

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Harting宣佈與TE Connectivity和Hirose正式展開合作。

Harting已經宣佈與TE和廣瀨(Hirose)正式合作。「TE積極經營SPE業務,已經為市場推出解決方案約四年了,我們看到SPE用於許多不同的應用中。」TE的Leijtens表示,「TE的工業SPE連接器完全符合IEC 63171-6標準,可與SPE生態系統中的元件無縫協作,而為工業物聯網提供基礎設施。IEC標準為IP20和IP67環境提供了靈活解決方案,例如具有不同的供電選擇。該系統還可根據不同的應用需求靈活地擴展。」

但TE的設計與其汽車SPE連接器是否有任何相似之處?「TE的工業SPE連接器可共用相同的TE技術,提供類似的可靠性和性能等級。」Leijtens說:「它們主要用於裝置對裝置的連接,而在連接技術和電源解決方案方面則具有靈活性。」

RJ45末日近了?

單對乙太網路的出現是否預示著標準工業RJ45連接器即將步入尾聲?用於多對乙太網路(multi-pair Ethernet)通訊的8P8C連接器更具有防水、防塵和抗振功能,並提供不同的封裝,可適應任何數量的工業應用。

TE的Leijtens認為這種普及的連接器並不至於馬上被淘汰。「單對乙太網路的好處主要是在自動化金字塔的較底層,即使在最惡劣的環境中也能實現易於安裝、小型和非常可靠的連接。」他表示,「然而,特別是在自動化金字塔的較高層級,RJ45將會繼續使用。例如資料聚合需要較大頻寬,尤其是在與企業資源規劃和製造執行系統對接時更是如此。」

「基於單對乙太網路的新款工業連接器可以為整個IIoT生態系統提供必要的基礎設施。」——Harting產品與應用經理Kevin Canham

Harting的Canham認為,工業RJ45最終可能終結,但那將會是在佷久以後的未來。

「業界一直在朝向更小尺寸、更高性價比、更輕量的設計方向發展。」Canham表示,「SPE連接器可以提供與RJ45性能類似的特性,而如果晶片製造商加速佈局,就像在汽車產業一樣,很可能也普及於產業界。」

「目前全球約有數十億個RJ45連接應用,可能還要經歷很長時間才會逐漸式微,但會是哪一天可沒人知道。」

(參考原文:Single-Pair Ethernet: The End of the Industrial RJ45?,by Sally Ward-Foxton)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年9月號