“工業(yè)3.0”始于上世紀(jì)70年代，它是制造業(yè)模式轉(zhuǎn)變的標(biāo)志，利用信息技術(shù)來提升自動化水平、生產(chǎn)力、精準(zhǔn)度和靈活性。現(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(jī)器對機(jī)器（M2M）通信和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）來實(shí)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(jì)部門和制造車間之間建立聯(lián)系。借助M2M通信，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）可以與機(jī)床對話，并直接對其進(jìn)行編程以制造零件。機(jī)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(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，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(gè)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(jī)器的運(yùn)行。

實(shí)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(jì)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(diǎn)，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(shí)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(shí)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(jiān)固耐用的連接器和電纜，以消費(fèi)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(yuǎn)程監(jiān)控人員輕松訪問車間的機(jī)器、PLC和控制器。

但標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的弱點(diǎn)，工業(yè)以太網(wǎng)硬件增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)加固型CAT 5e電纜，對于通過認(rèn)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(gè)絞線對。絞合限制了每個(gè)線對之間的信號干擾（"串?dāng)_"）。一個(gè)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(gè)線對都用于傳輸數(shù)據(jù)。吞吐量要求較低（每秒可高達(dá)100兆比特）的系統(tǒng)則可以只使用兩個(gè)絞線對，而將另兩個(gè)線對用于電源或傳統(tǒng)電話服務(wù)。

填補(bǔ)空白的專有解決方案

在IIoT部署中使用CAT 5e電纜的一個(gè)缺點(diǎn)是，對于許多任務(wù)而言，它的設(shè)計(jì)過于復(fù)雜。在從CAD對機(jī)床編程時(shí)，高速以太網(wǎng)是很好的選擇，但對于報(bào)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(fèi)在數(shù)千米的電纜上，而這些電纜的工程能力卻永遠(yuǎn)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(fèi)。制造商不愿意在昂貴的電纜上耗費(fèi)資金，因此會采用價(jià)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(yuǎn)程I/O等應(yīng)用，電纜長度可達(dá)一千米，原始數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)每秒十兆比特。這些專有現(xiàn)場總線選項(xiàng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，在工程運(yùn)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(yuǎn)程I/O方面則使用專有現(xiàn)場總線。這種情況并不理想，因?yàn)榍皟蓚€(gè)系統(tǒng)可以很好地協(xié)同工作，而后一個(gè)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(xiàng)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(qiáng)勁。從工廠的主云服務(wù)器到遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)關(guān)鍵組成部分，顧名思義，它只通過單個(gè)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?yàn)樗@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(gè)新的物理層（PHY）來適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用并降低成本。第一個(gè)物理層適用于短距離應(yīng)用（長達(dá)15米），第二個(gè)物理層支持長達(dá)一千米的覆蓋距離，并包括一個(gè)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(zhǔn)度和可重復(fù)性。組件或子組件的制造必須嚴(yán)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)制造高端機(jī)械手表或新款智能手機(jī)的情形。

IIoT可以實(shí)時(shí)控制，并且及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差以避免失控，從而實(shí)現(xiàn)所需的精度。第一次就把產(chǎn)品做好，可以減少消費(fèi)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?yàn)榈谝淮尉桶旬a(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(gè)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(yùn)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(yù)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(jì)領(lǐng)域的高級編輯餅從事出版方面的工作長達(dá)13年。Steven還曾在英國和澳大利亞的三一鏡報(bào)、CMP和RBI工作過，負(fù)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(dú)立記者，目前居住在悉尼。

作者

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