Single Pair Ethernet SPE: The Infrastructure for IIoT

單對乙太網 SPE：IIoT 基礎設施

摘要

物聯網 (IoT) 描述了虛擬和真實實體對象的聯網，以使用資訊和通信技術，使它們協同工作。我們日常生活中的物體獲得了數位技能。因此，這些實體對像也可以參與數位網路。這個過程也發生在工業應用中，它被稱為工業物聯網 (IIoT)。

越來越多的工業零組件，也正在成為智慧、智能的參與者。這些連接不再局限於公司內部網路，而且設備也正在成為 Internet 的一部分。數據收集、評估和使用的增加需要更強大的基礎設施。

同時，預計這種基礎設施，將佔用更少的空間和使用更少的資源。效率是這裡的關鍵詞，因為隨著頻寬需求不斷增加，越來越多的感測器成為網路參與者，需要新技術。

在自動化世界中，「自動化島」一詞是用來指代主導現場級別的，整個獨立和專有（類比）網路的範圍。乙太網/網路和類比現場總線系統之間的，這種經典系統分裂，現在應該被打破和消除。目標是將乙太網從雲擴展到每個感測器。每個感測器都將是智慧的，並且能夠單獨評估 —— 因此是通往 IIoT 道路上的重要一步。

然而，適當的基礎設施仍然缺失。當前的網路基於兩對或四對電纜和連接器。考慮到必須在現場連接的，感測器和執行器的絕對數量，這種傳統的基礎設施既龐大又昂貴。出於某種原因，總線電纜目的在節省空間和經濟。

高性能乙太網基礎設施的解決方案，是從雲端到感測器：這是基於單對雙絞銅線的：單對乙太網 (SPE)。

一對就夠了 —— SPE 使現場級智慧

從雲端到感測器：這是最近在自動化環境中，更常聽到的說法。這種說法通常與 IIoT 和工業 4.0 (I4.0) 等大趨勢有關。它是指基於乙太網的 TCP/IP 的連續通信，目前主要涵蓋，從雲端應用到製造業的分銷級別。以前乙太網和總線系統之間的通信系統，存在經典中斷，而現代組件現在只需使用一根雙絞線，就可以為最小的應用，帶來快速乙太網（高達 1 GBit/s）。因此，SPE 首次實現了 TCP/IP 的一致使用。這推動了新設備和應用領域的發展，尤其是感測器/執行器網路。

感測器變得「智慧」，並成為整個網路的一部分。這加速了參數化、初始化和編程。當使用 SPE 時 —— 無論是使用簡單的狀態感測器，還是由高解析度攝影機組成的，現代視覺系統 ——物聯網成為現實，現場級變得智能慧。

根

在需要替代 CAN 總線的汽車行業，確定了這種基於 TCP/IP 的新傳輸方法後，IEEE 802.3 工作組發布了第一個 SPE 標準，即 IEEE 802.3bw-2015 第 96 條中的標準 100BASE-T1。然而，自動駕駛或半自動駕駛需要更高的數據速率。

因此，在第一個 100Mbit/s 的 SPE 標準之後，千兆版本很快就出現了。基於 IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 的乙太網技術，現已上市，僅使用一對銅線，即可提供 1 Gbit/s 的傳輸速度。

IEEE 在 2021 年發布了，高達 10 Gbit/s (IEEE 802.3ch) 的標準，這是高解析度感測器和影像傳輸所必需的。僅 10 Mbit/s (IEEE 802.3cg) 的標準，於 2020 年 2 月發布。該標準與許多行業領域非常相關，因為它允許長達 1,000 米的傳輸距離，因此幾乎可以取代所有現場總線。

另一個工作組於 2019 年 3 月成立，負責處理 10 Gbit/s 以上的傳輸速率。他們的目標是 25 Gbit/s 和 50 Gbit/s。這些高數據速率，是自動駕駛和車輛內新區域電腦架構所需的技術。SPE 是實現這一目標，理想的技術。

工業自動化認識到這種潛力

生產和自動化行業與汽車行業，存在類似的問題，因為它需要行業整合，這意味著自動化生產中的現場級（感測器/執行器網路）到工具和工件的整合。它需要一個可以普遍使用的網路策略，同時也可以在未來很好地持續下去。

換言之，需要非專有的 IT 解決方案，並提供行業中常見的可用性和安全標準。SPE 是解決此問題的正確技術。它提供了許多優點：

作為專有總線或電源接口的替代方案，端到端 TCP/IP 的通信
高安全性和 100% 的可用性
從幾米到超過 1000 米的巨大範圍

電纜和分配器所需的最小空間
易於安裝
使用數據線供電為終端設備和感測器同時供電
不需要可充電和不可充電電池，這是一個重要的環境考慮因素。
透過更好的操作可靠性降低成本

因此，SPE 是一項消除大部分有線通信限制的技術。與其他技術（如無線）相比，它還彌補了電纜的缺點 —— 基於此處考慮的應用類型。總之，SPE 突出了銅光纖作為傳輸媒介的優勢。無線通信，也面臨著新的競爭。

數據線供電

與多對佈線一樣，SPE 遠端供電也有一個新標準，類似於乙太網供電 (PoE)；它被稱為數據線供電 (PoDL) (IEEE 802.3bu)。這種使用非常小的插入式連接器，和單對電纜的數據和電源組合，有助於支持更複雜系統的小型化、更高數據速率和模組化的趨勢。這些都是非車載 SPE 應用，在工業、智慧城市、建築等領域快速發展的先決條件。

超過 1000 米的銅纜乙太網？SPE 技術已經在很短的時間內，實現了與當今主要的「多對以太網」(MPE) 相同的性能。目前，唯一的限制是 100 Mbit/s ，和千兆位 SPE（分別為 15 m 和 40 m）的有限範圍，這是由汽車行業主要目標群體，要求造成的。

專家們同意，還可以實現更長的傳輸長度。圖表顯示了技術上，可能的擴展傳輸長度。然而，對於 IEEE 802.3 涵蓋的 SPE 標準的這些擴展，特別是對於半導體行業投資開發這些新晶片組，有必要定義新的目標應用和合適的市場潛力。

這需要所有利益相關方的開放合作，以擴大 SPE 範圍。IEEE 802.3 上的第一個演示文稿，已經發表並受到好評。非常歡迎這些目標標準的進一步支持者。

T1 工業風格：所有標準統一支持

在 SPE 基礎設施及其相關潛力，牢固建立之前，還有很長的路要走。目前，市場上正在討論幾種解決方案，和不同的標準，特別關注 SPE 的介面。用戶現在正確地詢問製造商，是否會基於統一標準，開發一致且相容的解決方案，或者是否會有多種解決方案，和不相容的配合面。因此，有必要仔細研究，各個標準委員會的合作，及其與乙太網通信相關的工作。

ISO/IEC SC25 WG3：ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 在標準化中，發揮著核心作用。這是創建和維護符合 ISO/IEC 11801 的佈線標準的地方。

IEC SC46C：佈線組件委員會：銅數據電纜
IEC SC48B：佈線組件委員會：連接器
IEEE 802.3：基於電纜的乙太網協議標準

IEC 61156-x – 單對乙太網電纜的標準化

在 IEC SC46C 大宗商品數據電纜標準化工作組內，目前正在製定以下標準：

IEC 61156-11：用於固定安裝的高達 600 MHz 頻寬的 SPE 數據電纜（最終發布）
IEC 61156-12：高達 600 MHz 頻寬的 SPE 數據電纜，用於靈活安裝（提供 CD）
IEC 61156-13：用於固定安裝的高達 20 MHz 頻寬的 SPE 數據電纜（提供 CD）
IEC 61156-14：高達 20 MHz 頻寬的 SPE 數據電纜，用於靈活安裝（計劃中）。

未來將處理更多標準項目，例如支持高於 1 Gbit/s 的數據速率的更高頻寬。

IEC 63171-6 – 單對乙太網連接技術的標準化

HARTING 早在 2016 年，就向 SC48B 提交了 SPE 連接器，第一個的標準草案，並作為 IEC 61076-3-125 發佈到 CD 文件。2017 年，康普公司提交了另一個 SPE 插接面進行標準化，並決定為所有 SPE 連接器，創建 IEC 63171 系列標準。

因此，項目組 PT63171 在 SC48B 成立，並受委託負責準備這一系列新標準。到目前為止，已經在製訂中的標準，將作為自包含文件完成，然後作為修訂版，整合到這個新的系列標準中。

目前正在進行以下標準項目：

IEC 63171：具有所有必要規範和測試順序的基本標準（CDV 可用）
IEC 63171-1：康普基於 LC 聯鎖的 SPE 連接器，適用於已發布的 M1I1C1E1 應用
IEC 63171-2：Reichle & De-Massari 發布的用於 M1I1C1E1 應用的 SPE 連接器
IEC 63171-3：西蒙的 SPE 連接器，基於一對著名的 Tera 連接器，用於 M1I1C1E1 應用（已撤銷）
IEC 63171-4：來自 BKS 的 SPE 連接器，用於 M1I1C1E1 應用（可提供 CD）
IEC 63171-5：Phoenix Contact 的 SPE 連接器，基於 IEC 63171-2 配合面，用於 M2I2C2E2 和 M3I3C3E3 應用（第二個 CDV 正在準備中）
IEC 63171-6（以前的 IEC 61076-3-125）：HARTING 和 TE Connectivity 的 SPE 連接器，自 2020 年 1 月 23 日起發布，第二版正在開發中，用於 M2I2C2E2 和 M3I3C3E3 應用。

注意：IEC 63171-1（LC 樣式）和 IEC 63171-6（工業樣式）是完整的標準文檔，包含所有必要的規範和測試序列。在此之後開始的所有標準，均參考基本標準 IEC 63171，並僅描述不同的機械版本。

SPE 的佈線標準

SPE 及其標準化連接器，已納入當前的佈線標準。在國際上，這主要適用於符合 ISO/IEC 11801:2017 的結構化佈線標準系列，並以類似的方式適用於符合 EN 50173 的 CENELEC 歐洲系列標準。這裡，SPE 包含在第 3 部分附件中的工業佈線（修正）。這些附件的中心文件是 ISO/IEC TR 11801-9906，用於 SPE 的高達 600 MHz 的平衡單對佈線信道。

ISO/IEC 11801 文件中，SPE 的實施非常重要。它是描述與 MICE 指定環境相關的所有必要參數（長度、連接數、頻寬和完整的技術傳輸相關參數集，包括 NEXT、FEXT 和屏蔽屬性）的佈線通道的唯一標準，以便在安裝後與此平行進行測量。

工業安裝標準將根據 IEC 61918 (IEC SC65C) ，作為自動化解決方案佈線的基礎進行調整。這將在多大程度上，影響自動化配置文件本身，還有待觀察。

結合連接器和電纜的組件標準，SPE 的所有用戶，都可以獲得有關建構和測試，適當傳輸路徑的明確指南。對於 1 Gbit/s SPE，此佈線最初限制在 40 m 的範圍內。對於 10 Mbit/s 變體，可以實現 1000 m 及以上的範圍。

ANSI/TIA-568.5 和 TIA TR-42.7，正在準備與美國、加拿大和墨西哥相關的 SPE 佈線的更多文檔。這在 TIA-42 文檔中作為附錄進行了更新：TIA-1005-A-3。所有這些添加的內容基本相同。

這些佈線標準為用戶提供了有關佈線結構、實現性能規格，應使用的佈線組件，以及用於測試佈線的限值的資訊。因此，它們是設置和調試 SPE 佈線系統，最重要的工具。

它們還透過提供對組件標準（例如，符合 IEC 63171-6 的連接器）的參考，來確保設備和電纜之間的相容性。這種相容性是基於 SPE 的網路，和連接正常運行的基本先決條件，因此也是 IoT/IIoT 的基礎。理論上可以使用非 ISO/IEC 11801-3 修正案 1 中規定的佈線組件。然而，

為此，在 2018 年初，ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 和 TIA-42，啟動了國際選擇流程，來定義統一介面。這兩個選擇過程，是由 IEEE 802.3 共同發起的，它要求 ISO/IEC 和 TIA 就 SPE MDI（SPE 設備接口）提出建議。

20 多個國家專家組，參與了此次評選。此選擇過程中，出現了兩個連接器匹配配置文件作為首選：

對於建築佈線，配合面符合 IEC 63171-1。該配合面基於康普的提議。
對於工業和與工業相鄰的應用（M2I2C2E2 和 M3I3C3E3），配合面符合 IEC 63171-6（以前的 IEC 61076-3-125）。該配合面基於 HARTING T1 Industrial 提出的建議。

TIA-42 的選擇過程，證實了 ISO/IEC 的結果，因此全球對 SPE 介面，達成了重要共識。這些選定的配合面，現已納入相應的國際佈線標準。IEEE 802.3 還在 IEEE 802.3cg 中，將這些 SPE 介面，指定為推薦的媒體相關接口 (MDI)。

這是大規模使用所必需的。因此，還需要成功地銷售 SPE 技術，以及在不同類型的應用中，始終保持設備、電纜和連接器的相容性。這為所有市場參與者，提供了規劃安全性。

請注意，MICE 描述了安裝的環境條件。它還為規劃人員和用戶，提供了用於指定技術設備和佈線的寶貴資訊。描述了機械堅固性 (M)、IPxx 等級 (I)、耐化學性和耐氣候性 (C) ，以及電磁安全性 (E) 的要求。從最廣泛的意義上講，M1I1C1E1 描述了類似於辦公樓內部的環境。M3I3C3E3 描述了一個相當極端的環境，例如在工業或戶外發現的環境。

深入了解技術

即使現有的四對數據佈線，和 SPE 都需要雙絞線，但對佈線和連接技術的要求，卻大不相同。對於採用當前可用 SPE 傳輸標準的傳輸長度，以及射頻 (RF) 要求尤其如此，這對於這些所需的頻寬尤為明顯。

使用 SPE（電纜共享）從多對佈線 (MPE) 遷移

一對電線可以實現高數據速率 —— 那麼為什麼不在你現有的基礎設施中，組合四個 SPE 路徑呢？這種通過「電纜共享」，為 SPE 使用四對電纜的想法非常簡單。

這對於特殊情況是可能的，但在技術和經濟上，並沒有真正意義。一方面，與 MPE 相比，SPE 佈線需要更高的頻寬，尤其是串擾。此外，與傳輸長度為 100 米的 MPE 相比，到目前為止，SPE 在 1000BASE-T1 下，對於屏蔽電纜的傳輸長度僅為 40 米。對於此遷移方案，用戶必須檢查已安裝的 SPE 佈線的每個路徑。

因此，此類使用策略的實際經濟可行性，值得懷疑。例如，對於已安裝的 Cat。6A 電纜符合 1000BASE-T1 標準，傳輸長度不得超過 40 米，相應的射頻參數必須達到 600MHz。如果所有這些都完美匹配，那麼你可以透過 SPE，傳輸四次 1 Gbit/s，即使這個 Cat. 6A 佈線路徑，還可以支持 10 Gbit/s MPE。

SPE 的連接技術

單個連接器類型與特定應用密不可分，當然，已經實現了國際標準化。眾所皆知的例子，是用於乙太網的 RJ45 連接器，和用於影像傳輸的，簡潔的 HDMI 或 DVI 連接器。

因此，需要標準化介面連接器，才能成功推出新網路技術（如 SPE）的市場。這是因為只有使用標準化介面，才有可能在統一的數據網路中，將各種設備聯網。SPE 連接器的設計（根據 IEC 36171-6）基於相關 IEE 802.3 標準的規範，和其他市場要求。

電氣特性概述

標稱電壓
±1 V 的差分電壓信號，通常用於純乙太網傳輸。然而，在確定 SPE 連接器的標稱電壓時，還必須考慮遠端電源的兩根電線的並聯使用。SPE 中使用的方法，是透過數據線供電；它是根據 IEEE 802.3bu 標準化的。與 PoE 類似，最大額定電壓為 48 VDC，從而導致供電設備 (PSE) 的最大電源電壓為 60 VDC。與 PoE 相比，PoDL 定義了額外的典型車載電壓 12 V 和 24 VDC，用於車輛

絕緣電壓
儘管 IEEE 80.3 SPE 標準，沒有定義與汽車行業最大用戶群，有關的絕緣要求的明確規範，但建築和工業佈線中的正常應用也適用與 1.5 kV 四對以太網相同的要求(rms) 接觸到屏蔽和 1.0 kV (rms) 接觸到接觸（請參閱第 126.5.1 節 IEEE 802.3cr）。

額定電流
在確定額定電流時，PoDL 要求也是決定性的。在當前標準中，表 104-1 IEEE 802.3bu 將最大饋入功率指定為 63.3 W，這對應於 50 W 的受電設備的最大供電功率。這導致在 48 V 下的最小允許值為 1.36 A電源電壓。但是，已選擇 4 A DC 的額定電流以在未來保持可持續的干擾水平。

背景：根據北美市場的國家電氣規範 (NEC)，NEC 2 類設備的最大功率限制為 100 W；這也是 PoE 標準 IEEE 802.3bt 的最大遠端供電功率。這意味著未來的 PoDL 擴展，將保持在 100 W 以下，工業自動化中使用的 24 V 電源電壓，將導致捨入後的最大額定電流為 4 A。

射頻傳輸參數

為了傳輸數據，SPE 在阻抗為 100 歐姆的差分線，對上使用全雙工連接。為了實現較低的干擾靈敏度（特別是用於電動汽車），SPE 選擇了較低的編碼，PAM3 高達 1000BASE-T1，PAM4 用於 2.5/5/10GBASE-T1。與多對乙太網標準相比，這極大地增加了頻寬需求。例如，目前正在討論，用於在 10GBASE-T1（與僅 500 MHz 的 10GBASE-T 相比）高達 4 GHz 的多千兆位 SPE 的 IEEE 802.3ch。

因此，對電纜和連接技術的射頻要求，越來越高，需要非常對稱的連接器設計，才能可靠地滿足這些，更嚴格的射頻要求。為此，T1 工業連接器的觸點對稱佈置，在完全封閉的屏蔽外殼中。

兩個導體到屏蔽層，或印刷電路板的耦合電容，和電感是相同的。對差分數據傳輸沒有干擾。這意味著兩個導體路徑中，信號路徑是相同的，並且避免了信號傳播時間的差異。

符合 IEC 63171-6 的 SPE 連接技術的技術設計

SPE 介面設計的目的，是考慮上面已經解釋的所有電氣參數，並為未來更高的頻寬、遠端電源 (PoDL) 的要求，以及已經接受並廣泛使用的各種外殼設計，留出足夠的儲備。市場多個因素很重要：市場對小型化介面，和高穩健性的需求之間的平衡關係，以及良好的處理，和精心設計的端接區域，以匹配要使用的電線和電纜直徑。

遵循這些設計目標，為接觸系統選擇了 0.5 mm 接觸間隙，和 2.8 mm 接觸間隙。觸點間距與要連接的電纜橫截面相匹配。對於 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 的短傳輸距離，可以使用線芯直徑約為 1 mm 或 1.6 mm 的 AWG 26，或 AWG 22 導體。但是，對於距離更長的 10BASE-T1L 1000 m，需要 AWG 16/18 導體，其典型線芯直徑約為 2 mm；因此，2.8 毫米的接觸距離是最佳的。

根據 IEEE 802.3 標準，只有使用屏蔽傳輸路徑，才能實現更長的距離。因此，為了確保即使在惡劣的工業環境中，也能安全傳輸，一直採用屏蔽設計。同時，這些屏蔽板，還為 IP 20 版本提供了強大的機械互鎖。金屬閂鎖桿消除了閂鎖機構損壞的問題 —— 這是 RJ45 的常見批評。M8 和 M12 圓形連接器，已在工業應用中得到應用。

因此，新 SPE 插接面的 M8 結構類型，增加了螺紋式、卡入式和推拉式互鎖，使它們成為統一的「數據容器」。帶有螺釘和推拉互鎖的 M12 設計也已標準化，以適應 1000 米 10BASE-T1L 通道的大電纜橫截面。這意味著所有設計，都使用相同的插接面，IP20 連接器，也可以連接到 IP65/67 接口以進行參數配置或測試。

使用廣泛接受的 M8/M12 類型，可確保良好的市場接受度，同時降低必要的投資成本，因為許多供應商，已經提供相應的外殼設計。在所有結構類型中，使用相同的插座和插入式連接器插件（「數據容器」），確保所有產品系列具有統一的技術特性。

這使得透過規模經濟，更容易實施具有成本效益的生產。因此，符合 IEC 63171-6 的 SPE 介面，提供了一個國際標準化的插接面，可以最佳地支持 SPE 在工業應用中的未來使用。透過使用這種標準化的 SPE 數據容器，還可以輕鬆地將此 IEC 63171-6 配合面，整合到其他設計中，

強大合作夥伴的生態系統

工業乙太網在自動化和 I 4.0 應用中，變得越來越普遍。來自各行各業的越來越多的設備和解決方案，正在變得「智慧」——為此，他們需要合適的乙太網基礎設施。

SPE 生態系統向我們展示了技術、標準、基礎設施組件、設備和測試設備如何在邏輯上相互建立和相互支持。它們最終為多個不同市場的數位化，提供了堅實的基礎。

這就是浩亭在標準化領域積極開展工作，並開發適用於工業用途的基礎設施的原因。HARTING 現在積極支持設備製造商實施 SPE。

所有合作夥伴共同希望，為 SPE 生態系統提供構建模組。他們將自己視為工業乙太網用戶組的合作夥伴，因為 SPE 可以為這些協議（例如 PROFINET）提供新的基礎設施，這將實現一直到現場級別的基於 IP 的通信。正如口號所承諾的那樣：「SPE – IIoT 的基礎設施。」

這意味著 SPE 不僅將以更高效、更環保的方式支持許多應用，而且 SPE 還將支持許多新應用。除了目前對數位化技術方面的主要討論之外，數位化對我們民主社會的社會挑戰和影響，也必須在整個社會中討論，這些挑戰和影響，僅在第一次工業革命開始時才形成。

在 2018 年出版的《數位化網路：動盪中的人類 —— 通往新世界觀的道路》一書中，烏爾里希·森德勒詳細概述了工業、技術和社會的發展。這是一本值得一讀的書，就確保數位化在社會上取得成功並為人類福祉服務所需的步驟提出了許多建議。

我們要去哪裡？

自動駕駛、物聯網和工業物聯網等新應用領域需要新的、更強大的網路技術。SPE 就是這樣一種技術。與無線解決方案相比，僅透過一個連接，就可以同時為設備供電和提供數據的能力，是一個巨大的優勢。透過 PoDL 的遠端電源，使電池和蓄電池變得多餘 —— 這是環境相容性和可持續性的一大優勢。基於電纜的傳輸方法，還有一個額外的優勢，即對可用頻率範圍沒有監管限制，因此不需要為必要的頻段產生許可費用。由於頻段不是統一分配的（甚至在國際範圍內），具有無線電介面的設備，必須始終適應不同的市場需求。這對於基於電纜的傳輸方法，不是必需的。

因此，連同在 IEEE 802.1 中開發的時間敏感網路 (TSN) 標準，乙太網技術以及所有必要的機制正在擴展，以實現數據通信的確定性 —— 這是所有即時應用的先決條件。

因此，SPE 是物聯網和工業物聯網的完美基礎設施解決方案，和「推動者」，使其成為整合行業的重要組成部分。

為了讓 SPE 在生態系統中，充分發揮這種潛力，來自不同行業的合作夥伴，必須通力合作，使這一願景成為可能。這從 IEEE 802、ISO/IEC 和 TIA 的聯合國際標準化開始。它繼續開發和生產必要的組件，從半導體、磁性組件、連接器/電纜組件和測量技術開始。只有當標準和組件可用時（至少在初始樣品數量上），用戶才能為他們的眾多可能的設備，配備 SPE 傳輸技術，並開闢廣泛的新應用。

本文來自 IIoT 和工業 4.0 電子書。