“工業(yè)3.0”始于上世紀70年代，它是制造業(yè)模式轉(zhuǎn)變的標志，利用信息技術(shù)來提升自動化水平、生產(chǎn)力、精準度和靈活性?，F(xiàn)在我們正處于“工業(yè)4.0”的早期階段，可以通過智能技術(shù)、機器對機器（M2M）通信和機器學(xué)習(xí)（ML）來實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)自動化。兩者的主要區(qū)別在于，工業(yè)3.0向人類提供信息，助其做出更明智的決策，而工業(yè)4.0則利用數(shù)字信息來優(yōu)化流程，基本上不需要人類干預(yù)。

另外，工業(yè)4.0現(xiàn)在還能在工廠設(shè)計部門和制造車間之間建立聯(lián)系。借助M2M通信，計算機輔助設(shè)計（CAD）可以與機床對話，并直接對其進行編程以制造零件。機床也可以與CAD對話，讓其了解生產(chǎn)過程中遇到的挑戰(zhàn)，從而進一步完善設(shè)計，讓產(chǎn)品制造更加容易。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）是制造商用來打造工業(yè)4.0解決方案的平臺。該網(wǎng)絡(luò)的一個重要作用是形成反饋回路，通過傳感器監(jiān)控流程，并利用其數(shù)據(jù)控制和改善機器的運行。

實現(xiàn)IIoT并不簡單，極大的挑戰(zhàn)可能是投資成本。通過更好的設(shè)計和制造來節(jié)約成本、提高生產(chǎn)力和減少產(chǎn)品故障可以證明投資的合理性，任何能夠減少資本流出的措施都有可能加快工業(yè)4.0的落地。要做到這一點，方法之一就是將工廠的IIoT網(wǎng)絡(luò)建立在成熟、容易獲取且比較實惠的以太網(wǎng)通信技術(shù)之上。

工業(yè)以太網(wǎng)

作為全球應(yīng)用非常廣泛的有線網(wǎng)絡(luò)選擇，以太網(wǎng)具有出色的供應(yīng)商支持和IP互操作性。而且，一組電線就可以同時傳輸電流和數(shù)據(jù)，為連接的傳感器、執(zhí)行器和攝像頭供電。

“工業(yè)以太網(wǎng)”采用堅固耐用的連接器和電纜，以消費者版本的以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，為工業(yè)自動化提供了成熟可靠的技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)不僅可以傳輸重要信息，還能讓遠程監(jiān)控人員輕松訪問車間的機器、PLC和控制器。

但標準以太網(wǎng)協(xié)議容易丟失數(shù)據(jù)包，增加延遲。因此，它不適合同步且快速移動的裝配線。為了克服標準協(xié)議的弱點，工業(yè)以太網(wǎng)硬件增強了確定性，并結(jié)合了低延遲的工業(yè)協(xié)議，包括Ethernet/IP、ModbusTCP和PROFINET。

工業(yè)以太網(wǎng)部署使用標準加固型CAT 5e電纜，對于通過認證的千兆位以太網(wǎng)，則使用CAT 6電纜。

例如，CAT 5e電纜有八根線，組成四個絞線對。絞合限制了每個線對之間的信號干擾（"串?dāng)_"）。一個線對提供雙工連接的兩端。對于千兆以太網(wǎng)等高速系統(tǒng)，全部四個線對都用于傳輸數(shù)據(jù)。吞吐量要求較低（每秒可高達100兆比特）的系統(tǒng)則可以只使用兩個絞線對，而將另兩個線對用于電源或傳統(tǒng)電話服務(wù)。

填補空白的專有解決方案

在IIoT部署中使用CAT 5e電纜的一個缺點是，對于許多任務(wù)而言，它的設(shè)計過于復(fù)雜。在從CAD對機床編程時，高速以太網(wǎng)是很好的選擇，但對于報告?zhèn)魉蛶俣鹊膫鞲衅鱽碚f，高速以太網(wǎng)則幾乎沒必要。基于以太網(wǎng)的IIoT大多用于收集適量的傳感器信息，以優(yōu)化制造流程。這可能意味著大量資本支出被浪費在數(shù)千米的電纜上，而這些電纜的工程能力卻永遠不會被使用。

在對成本敏感的工業(yè)領(lǐng)域，通常采用更便宜的替代方案來避免這種浪費。制造商不愿意在昂貴的電纜上耗費資金，因此會采用價格低廉得多的專有現(xiàn)場總線替代方案來連接傳感器和不需要以太網(wǎng)全部功能的系統(tǒng)。這些現(xiàn)場總線通常用于工業(yè)儀表和遠程I/O等應(yīng)用，電纜長度可達一千米，原始數(shù)據(jù)吞吐量可達每秒十兆比特。這些專有現(xiàn)場總線選項中，有許多（例如HART、PROFIBUS PA和4-20mA）使用的是相對便宜的單絞線對電纜。

如今，實施工業(yè)4.0的工廠在企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）和CAD等方面使用標準以太網(wǎng)，在工程運營和工廠資產(chǎn)管理方面使用工業(yè)以太網(wǎng)，在儀器儀表和遠程I/O方面則使用專有現(xiàn)場總線。這種情況并不理想，因為前兩個系統(tǒng)可以很好地協(xié)同工作，而后一個系統(tǒng)卻無法與之互操作。

單對以太網(wǎng)介紹

IEEE 802.3cg是近期的一項以太網(wǎng)規(guī)范修正案，旨在解決目前由非以太網(wǎng)現(xiàn)場總線提供服務(wù)的工業(yè)應(yīng)用的問題。由于該修正案允許工廠的所有工業(yè)4.0操作都使用以太網(wǎng)平臺，因此其發(fā)展勢頭日益強勁。從工廠的主云服務(wù)器到遠程終端，再到低層的溫度監(jiān)測器，每臺設(shè)備都能通過基于標準的單一協(xié)議相互通信。

單對以太網(wǎng)（SPE）電纜是該規(guī)范修正案的一個關(guān)鍵組成部分，顧名思義，它只通過單個絞線對，而不是傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的多對CAT 5e電纜來傳輸數(shù)據(jù)。這對工廠主來說是一大福音，因為它顯著降低了很多建筑物通信線路的成本和體積。更妙的是，盡管使用了新的以太網(wǎng)連接器，傳統(tǒng)的專有現(xiàn)場總線單絞線對布線仍可重新用于SPE，而無需拆除數(shù)千米長的舊電纜來更換新電纜。

IEEE 802.3cg還引入了兩個新的物理層（PHY）來適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用并降低成本。第一個物理層適用于短距離應(yīng)用（長達15米），第二個物理層支持長達一千米的覆蓋距離，并包括一個可選的放大發(fā)送電平以提高噪聲容忍度，低功耗空閑模式以節(jié)省能源。

“一次成功”的重要性

現(xiàn)代制造業(yè)要求精準度和可重復(fù)性。組件或子組件的制造必須嚴格控制誤差，以使其能夠用于成千上萬種產(chǎn)品中的任何一種，并且能夠完美運行數(shù)年。越小或者越復(fù)雜的東西，所需的精度就越高；想象一下，以統(tǒng)一的質(zhì)量標準制造高端機械手表或新款智能手機的情形。

IIoT可以實時控制，并且及時發(fā)現(xiàn)偏差以避免失控，從而實現(xiàn)所需的精度。第一次就把產(chǎn)品做好，可以減少消費者的損失和無休止的保修索賠。除了省錢，也許更重要的是，這樣做更具可持續(xù)性，因為第一次就把產(chǎn)品做好，可以節(jié)省能源、碳排放和珍貴的材料。

結(jié)語

單對以太網(wǎng)使工程師能夠在整個工廠內(nèi)使用工業(yè)以太網(wǎng)，即便是操作低層傳感器。這使得收集和分析所需的深度數(shù)據(jù)變得更加容易，既能提高生產(chǎn)運營水平，又能很大限度地發(fā)揮ML和AI等新技術(shù)的影響。

Steven Keeping曾獲得英國布萊頓大學(xué)的BEng（榮譽學(xué)士）學(xué)位。他先在Eurotherm和BOC電子部門工作了七年，之后加入《Electronic Production》雜志，擔(dān)任電子制造、測試和設(shè)計領(lǐng)域的高級編輯餅從事出版方面的工作長達13年。Steven還曾在英國和澳大利亞的三一鏡報、CMP和RBI工作過，負責(zé)《What's New in Electronics》和《Australian Electronics Engineering》雜志的相關(guān)工作。2006年，Steven成為了專攻電子行業(yè)的獨立記者，目前居住在悉尼。

作者

簡介

該發(fā)布文章為獨家原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請注明來源。對于未經(jīng)許可的復(fù)制和不符合要求的轉(zhuǎn)載我們將保留依法追究法律責(zé)任的權(quán)利。