不久以前，很多人都懷疑工業(yè)以太網(wǎng)是否能替代傳統(tǒng)的工廠現(xiàn)場總線。直到EtherCAT、EtherNet/IP和Profinet這樣的確定性的以太網(wǎng)通信協(xié)議開始出現(xiàn)以前，以太網(wǎng)完全不能適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)動控制應(yīng)用所需的極快循環(huán)時間，這類應(yīng)用通常需要在內(nèi)部進(jìn)行控制回路更新。只需幾個毫秒的空檔就可以正常運(yùn)作。但是，隨著這些問題被逐步擊破，以太網(wǎng)日益成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，特別是離散制造領(lǐng)域的首選。

據(jù)PI North America執(zhí)行董事Michael Bowne介紹，目前每賣出一個Profinet節(jié)點(diǎn)就賣出四個Profinet節(jié)點(diǎn)；十年前，這些數(shù)字是反轉(zhuǎn)的。

雖然人們越來越傾向于使用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，但是很多現(xiàn)場總線安裝仍然保留，尤其是在向以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換更為困難的過程工業(yè)中。一個原因是：在石油和天然氣工業(yè)中，大型室外環(huán)境中需要較長的電纜線。因?yàn)橥ǔ９I(yè)以太網(wǎng)的最大長度被限制為100m，以防止信號衰減而造成問題。另外，由于許多過程工業(yè)用途都是在按照國家電力標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為危險(xiǎn)區(qū)域的領(lǐng)域進(jìn)行，因此必須采用特定專業(yè)知識的昂貴安全措施，以確保以太網(wǎng)電纜和連接器不會著火。

以太網(wǎng)物理層的最新創(chuàng)新——開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的第一層次，用來描述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各種功能的概念框架——可能會幫助克服這些障礙。

目前主導(dǎo)單對以太網(wǎng)(SPE)和以太網(wǎng)高級物理層(APL)這兩個以太網(wǎng)創(chuàng)新引領(lǐng)著工業(yè)以太網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)展，它們都帶來了各種潛在的好處。簡單地說，SPE是一種以太網(wǎng)形式，它使用單對雙絞線，而另一種形式的以太網(wǎng)使用兩對或三對。同樣，APL是SPE與IEC 60079雙線本質(zhì)安全以太網(wǎng)(2-WISE)相結(jié)合，能夠?qū)⒁汛嬖诘默F(xiàn)場總線A類電纜部署到危險(xiǎn)環(huán)境中。盡管這種差異看起來微不足道，但是很多業(yè)界都贊揚(yáng)這種發(fā)展對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有重大的影響。

Bowne表示，當(dāng)我們從現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)到工業(yè)以太網(wǎng)時，就像工廠自動化系統(tǒng)發(fā)生的步驟變化一樣，我們從中得到的所有利益，在流程控制方面也是一樣的。

單對以太網(wǎng)絡(luò)（SPE）

SPE所具有的各種特性使得它非常適用于流程工業(yè)環(huán)境。

第一，它的最大長度是1000米，是之前工業(yè)以太網(wǎng)長度的10倍。這就代表著，不進(jìn)行權(quán)衡就不能完成擴(kuò)展。SPE傳輸速度是10Mbit/s，而4線和8線以太網(wǎng)可以達(dá)到從100Mbit/s到10Gbit/s的速率。不過，與最大通信速度為31.25Kbit/s的現(xiàn)場總線和最大通信速度為1200bit/s的HART相比，仍是一個顯著的進(jìn)步。

這樣，SPE就是傳統(tǒng)現(xiàn)場總線與其它形式的工業(yè)以太網(wǎng)之間的一種中間地帶。Guadalupe Chalas是菲尼克斯電氣的一名高級工程師，他表示盡管現(xiàn)場總線目前可能不能提供能充分利用配備物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸速度，但是4線和8線以太網(wǎng)可能提供超過必要的數(shù)據(jù)傳輸速率。

Chalas表示，這類現(xiàn)場設(shè)備需要更長的電纜距離，但是需要較小的帶寬。所以，如果要專門討論帶寬，就沒有必要將100Mbit/s標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接到僅需要8Mbit或10Mbit/s的設(shè)備上。在這種情況下，對于不需要的應(yīng)用程序來說是過度設(shè)計(jì)、昂貴的連接。

另外，SPE替換了大部分以太網(wǎng)絡(luò)電纜固有的RJ45連接器。SPE的連接器不僅更結(jié)實(shí)，更適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，而且它們顯然更小，并能與現(xiàn)有傳感器和其它現(xiàn)場儀器中常見的端口相匹配。

Harting標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)技術(shù)經(jīng)理McKenzie Reed表示，確保更高的互用性，這是標(biāo)準(zhǔn)組織在這方面取得進(jìn)展的主要原因。RJ45是一個沿襲到工業(yè)界的商業(yè)產(chǎn)品，SPE標(biāo)準(zhǔn)組織花了很多時間和精力去避免這種情況的重演，因?yàn)镽J45連接器在工業(yè)環(huán)境中使用時存在質(zhì)量、兼容性和性能問題。

SPE支持?jǐn)?shù)據(jù)線供電(PoDL)，能通過傳輸數(shù)據(jù)以同樣的雙絞線傳輸50瓦的功率。根據(jù)Reed的說法，它可以用來為現(xiàn)場的小傳感器和其他簡單的儀器供電，讓用戶不用再用二次電源，從而進(jìn)一步降低成本。

高級物理層（APL）

APL是一種可以用來為危險(xiǎn)環(huán)境中的應(yīng)用提供基本安全性的SPE的安裝架構(gòu)。這種方法是在IEC技術(shù)規(guī)范2-WISE基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，它定義了多種功率級端口配置文件來限制可能發(fā)生爆炸區(qū)域內(nèi)的電流流動。

據(jù)ODVA總裁兼執(zhí)行董事Al Beydoun稱，盡管其他形式的工業(yè)以太網(wǎng)可能被用在危險(xiǎn)環(huán)境中，但是，他們還需要采取額外預(yù)防措施，例如，采用機(jī)械電纜保護(hù)器，以及使用適度計(jì)算的較短的電纜線，并且在額外的機(jī)柜和外殼上屏蔽連接。排除了這些需求，APL可以減少成本，減少復(fù)雜度，并且可以在不影響安全的前提下安裝更長的電纜。

另外，APL被設(shè)計(jì)用于兼容現(xiàn)有的現(xiàn)場總線A類線路，這將使采用過程變得簡單。之所以如此，是因?yàn)殡m然APL是因應(yīng)改變以太網(wǎng)電纜物理層，但是它所提高的數(shù)據(jù)傳輸能力是通過兼容設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口控制器(NIC)和物理收發(fā)器(PHY)實(shí)現(xiàn)的，而不是電纜本身。這樣，在諸如石油和天然氣或廢水管理等行業(yè)，將現(xiàn)有電纜埋入混凝土或其他難以觸及的地方，可通過更新設(shè)備和連接器，很容易地實(shí)現(xiàn)過渡，而不需要拆除和替換整個布線基礎(chǔ)設(shè)施。

更多可用于現(xiàn)代應(yīng)用的數(shù)據(jù)

或許把SPE和APL引入過程工業(yè)應(yīng)用的最大好處就是可以把大量的豐富而精細(xì)的數(shù)據(jù)從傳感器和設(shè)備傳送到更高級的系統(tǒng)，因?yàn)橄鄬τ诂F(xiàn)場總線，以太網(wǎng)的帶寬更大。

另外，現(xiàn)場總線只提供半雙工或單向通訊，SPE和APL就像其它形式的工業(yè)以太網(wǎng)一樣，都是全雙工的，也就是說，它們可以同時將數(shù)據(jù)傳送到連接設(shè)備，也可以從所連接設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。借助于這一功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時、連續(xù)可見性的數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。

SPE和APL協(xié)議也不能確定，這意味著它們可以與任何其他更高級的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議結(jié)合使用，它允許自上而下的以太網(wǎng)使用，而不需要網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)或協(xié)議轉(zhuǎn)換。這將增加成本、復(fù)雜性。根據(jù)Reed的說法，這還會讓調(diào)試變得更容易管理，特別是在新員工缺乏現(xiàn)場總線經(jīng)驗(yàn)的情況下。

但是，Belden工業(yè)以太網(wǎng)和電子電纜產(chǎn)品線經(jīng)理Sri Senthamaraikannan表示，無處不在的采用不是一夜之間就能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵撛O(shè)備必須使用合適的PHY來與SPE和AP兼容，所以這個部署可能要花上三到五年的時間。這就是說，第一個SPE和APL兼容的設(shè)備將在今年投產(chǎn)。

還必須注意，SPE和APL并非現(xiàn)有形式的工業(yè)以太網(wǎng)的替代，而是一種補(bǔ)充，并特別為在過程工業(yè)中引入以太網(wǎng)連接而專門設(shè)計(jì)的。

Senthamaraikannan表示，SPE帶來了很多好處，但是它無法完全替代現(xiàn)有的4線或8線式工業(yè)以太網(wǎng)，因?yàn)榕cSPE相比，它仍有強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，如較高的數(shù)據(jù)傳輸率；但是在特殊應(yīng)用中，SPE無疑將成為一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案，并在其中發(fā)揮重要作用。將SPE視為在過程控制環(huán)境下采用以太網(wǎng)的一個重要推動力。