以太网华丽转身，推动工业4.0加速落地

“工业3.0”始于上世纪70年代，它是制造业模式转变的标志，利用信息技术来提升自动化水平、生产力、精准度和灵活性。现在我们正处于“工业4.0”的早期阶段，可以通过智能技术、机器对机器（M2M）通信和机器学习（ML）来实现大规模的工业自动化。两者的主要区别在于，工业3.0向人类提供信息，助其做出更明智的决策，而工业4.0则利用数字信息来优化流程，基本上不需要人类干预。

另外，工业4.0现在还能在工厂设计部门和制造车间之间建立联系。借助M2M通信，计算机辅助设计（CAD）可以与机床对话，并直接对其进行编程以制造零件。机床也可以与CAD对话，让其了解生产过程中遇到的挑战，从而进一步完善设计，让产品制造更加容易。

工业物联网（IIoT）是制造商用来打造工业4.0解决方案的平台。该网络的一个重要作用是形成反馈回路，通过传感器监控流程，并利用其数据控制和改善机器的运行。

实现IIoT并不简单，极大的挑战可能是投资成本。通过更好的设计和制造来节约成本、提高生产力和减少产品故障可以证明投资的合理性，任何能够减少资本流出的措施都有可能加快工业4.0的落地。要做到这一点，方法之一就是将工厂的IIoT网络建立在成熟、容易获取且比较实惠的以太网通信技术之上。

工业以太网

作为全球应用非常广泛的有线网络选择，以太网具有出色的供应商支持和IP互操作性。而且，一组电线就可以同时传输电流和数据，为连接的传感器、执行器和摄像头供电。

“工业以太网”采用坚固耐用的连接器和电缆，以消费者版本的以太网为基础，为工业自动化提供了成熟可靠的技术。工业以太网不仅可以传输重要信息，还能让远程监控人员轻松访问车间的机器、PLC和控制器。

但标准以太网协议容易丢失数据包，增加延迟。因此，它不适合同步且快速移动的装配线。为了克服标准协议的弱点，工业以太网硬件增强了确定性，并结合了低延迟的工业协议，包括Ethernet/IP、ModbusTCP和PROFINET。

工业以太网部署使用标准加固型CAT 5e电缆，对于通过认证的千兆位以太网，则使用CAT 6电缆。

例如，CAT 5e电缆有八根线，组成四个绞线对。绞合限制了每个线对之间的信号干扰（"串扰"）。一个线对提供双工连接的两端。对于千兆以太网等高速系统，全部四个线对都用于传输数据。吞吐量要求较低（每秒可高达100兆比特）的系统则可以只使用两个绞线对，而将另两个线对用于电源或传统电话服务。

填补空白的专有解决方案

在IIoT部署中使用CAT 5e电缆的一个缺点是，对于许多任务而言，它的设计过于复杂。在从CAD对机床编程时，高速以太网是很好的选择，但对于报告传送带速度的传感器来说，高速以太网则几乎没必要。基于以太网的IIoT大多用于收集适量的传感器信息，以优化制造流程。这可能意味着大量资本支出被浪费在数千米的电缆上，而这些电缆的工程能力却永远不会被使用。

在对成本敏感的工业领域，通常采用更便宜的替代方案来避免这种浪费。制造商不愿意在昂贵的电缆上耗费资金，因此会采用价格低廉得多的专有现场总线替代方案来连接传感器和不需要以太网全部功能的系统。这些现场总线通常用于工业仪表和远程I/O等应用，电缆长度可达一千米，原始数据吞吐量可达每秒十兆比特。这些专有现场总线选项中，有许多（例如HART、PROFIBUS PA和4-20mA）使用的是相对便宜的单绞线对电缆。

如今，实施工业4.0的工厂在企业资源规划（ERP）和CAD等方面使用标准以太网，在工程运营和工厂资产管理方面使用工业以太网，在仪器仪表和远程I/O方面则使用专有现场总线。这种情况并不理想，因为前两个系统可以很好地协同工作，而后一个系统却无法与之互操作。

单对以太网介绍

IEEE 802.3cg是近期的一项以太网规范修正案，旨在解决目前由非以太网现场总线提供服务的工业应用的问题。由于该修正案允许工厂的所有工业4.0操作都使用以太网平台，因此其发展势头日益强劲。从工厂的主云服务器到远程终端，再到低层的温度监测器，每台设备都能通过基于标准的单一协议相互通信。

单对以太网（SPE）电缆是该规范修正案的一个关键组成部分，顾名思义，它只通过单个绞线对，而不是传统工业以太网的多对CAT 5e电缆来传输数据。这对工厂主来说是一大福音，因为它显著降低了很多建筑物通信线路的成本和体积。更妙的是，尽管使用了新的以太网连接器，传统的专有现场总线单绞线对布线仍可重新用于SPE，而无需拆除数千米长的旧电缆来更换新电缆。

IEEE 802.3cg还引入了两个新的物理层（PHY）来适应工业应用并降低成本。第一个物理层适用于短距离应用（长达15米），第二个物理层支持长达一千米的覆盖距离，并包括一个可选的放大发送电平以提高噪声容忍度，低功耗空闲模式以节省能源。

“一次成功”的重要性

现代制造业要求精准度和可重复性。组件或子组件的制造必须严格控制误差，以使其能够用于成千上万种产品中的任何一种，并且能够完美运行数年。越小或者越复杂的东西，所需的精度就越高；想象一下，以统一的质量标准制造高端机械手表或新款智能手机的情形。

IIoT可以实时控制，并且及时发现偏差以避免失控，从而实现所需的精度。第一次就把产品做好，可以减少消费者的损失和无休止的保修索赔。除了省钱，也许更重要的是，这样做更具可持续性，因为第一次就把产品做好，可以节省能源、碳排放和珍贵的材料。

结语

单对以太网使工程师能够在整个工厂内使用工业以太网，即便是操作低层传感器。这使得收集和分析所需的深度数据变得更加容易，既能提高生产运营水平，又能很大限度地发挥ML和AI等新技术的影响。

Steven Keeping曾获得英国布莱顿大学的BEng（荣誉学士）学位。他先在Eurotherm和BOC电子部门工作了七年，之后加入《Electronic Production》杂志，担任电子制造、测试和设计领域的高级编辑饼从事出版方面的工作长达13年。Steven还曾在英国和澳大利亚的三一镜报、CMP和RBI工作过，负责《What's New in Electronics》和《Australian Electronics Engineering》杂志的相关工作。2006年，Steven成为了专攻电子行业的独立记者，目前居住在悉尼。

作者

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