作者：Mark Schuerman
高级业务开发经理
随着工业 4.0 或工业物联网 (IIoT) 的发展，智能互连设备的惠益已经得到了证明。不过，为了充分发挥工业元宇宙的优势，全面实现传感器到云端以太网无缝连接的愿景，必须攻克严峻的基础设施挑战，而单对以太网技术 (SPE) 正在呈上解决方案。
让我们思考一下元宇宙和工业物联网所处的生态系统。假设我们把元宇宙视为现实世界的数字孪生。此时，它可以充当一个有用的游乐场和测试实验室，工程师和产品开发人员在这里测试新设计、制造策略、物流策略等的影响。它允许高度详细地评估新产品或策略的影响，助力利益相关方制定战略决策和方向，显著减少从概念到实现所耗费的时间和成本。
另一方面，工业物联网在“现实世界”中运行，允许实时收集数据，从机器到单元、到整个 MES 和 ERP 系统共享数据，一面记录数据，一面将生产力和效率抬升至以太网技术和互联网问世之前不可能达到的水平。 理想情况下，元宇宙和工业物联网不会彼此孤立地运行，它们会相辅相成。 驻留在云端的人工智能模型影响了车间的一些实时决策，同时，来自车间的数据进一步助力改进人工智能模型和数字孪生，帮助不断开发越来越精确的现实世界数字模型。
有人可能会说，对于工业物联网以及构成元宇宙的数字和人工智能建模做出贡献的最关键领域之一是传感技术。传感器是眼睛、耳朵和手指，委婉地说，它通知控制系统何时执行命令，知会 MES 系统何时应当执行维护或需要改进流程，向 ERP 系统传达生产力数据，最终通过把数据融入报告，对比预期结果与实际结果，在某种程度上让元宇宙了解功能模型的准确性。令人惊讶的是，如今工厂和过程自动化用到的大多数传感器和驱动器并不直接驻留在以太网网络上，而是驻留在非以太网现场总线上。
现有工业网络的问题
在物流领域，人们越来越注重解决所谓的“最后一英里配送问题”。随着消费者对电商产品次日达的期待值越来越高，配送过程的“最后一英里”成为了对客户满意度和维系成本竞争力最为关键的环节。着眼于产品从生产工厂到仓库、送货卡车乃至客户家门口的整个旅程，从仓库到客户家门口的这一段被称为“最后一英里”。最后一英里配送会受到配送路线上多个目的地彼此之间的距离、交通状况、施工、天气等因素的影响，配送过程中最后一步涉及的时间和成本相当可观，估计占总成本的 50% 以上。
相对而言，工业以太网网络在工厂和过程自动化方面面临类似的挑战。基于 TCP/IP 的以太网技术通常用于连接云端、ERP、MES、生产单元和机器层面控制。然而，在这些系统的传感器和驱动器层面上（位于生态系统的边缘），许多器件仍然谨慎地连接至另一个现场总线，然后通过桥接或网关在以太网上传输。因此，终端用户需要额外的编程和硬件来支持这些现场总线，从而产生了额外的成本，在某些情况下，这是实现智能技术的实际障碍。出于这一原因，我们可以合理地说，元宇宙和工业物联网存在“最后一米”问题。
单对以太网挽救局面
为了帮助解决这些问题，SPE 工业合作伙伴网络于 2019 年成立。此联盟的使命是将全行业汇于一项新的网络标准旗帜下，如今成员企业公司超过 50 家，是名副其实的电缆和连接器供应商名人堂。
SPE 指代“单对以太网”。顾名思义，核心创新在于减少布线——用一条双绞线代替两条或四条。显然，这种排布的优势在于显著减小电缆的重量和直径，让电缆变得特别灵活且容易布线。但 SPE 也解决了工业网络的其他主要痛点：带宽、功率和覆盖范围。该技术支持高达 1 Gbps 的传输速度，电缆长度可达 40 米，单根电缆的数据线供电 (PoDL) 功率最高可达 50W，相比旧有技术，能在更少的线路上传输更多的数据和电力。更胜一筹的是，SPE 支持电缆在 1,000 米长度内以 10 Mbps 的速度传输，这一长度比工业以太网长十倍。更重要的是，与插座关联的电子设备已经接受过尺寸优化，
让 SPE 端口更容易挤入狭窄空间。以更少的线数支持 PoDL 有助于连接器小型化，从而解决了以太网网络搭载传感器的主要障碍之一——过往电缆和连接器技术存在的物理空间局限。
基线布线系统称为 T1 SPE IP20，功能特性坚固耐用，具备 IP20 防护等级，工作温度范围为 -40°C 至 +85°C，可耐受高达 1,000 次插拔。针对更恶劣的环境，M12 T1 SPE IP67 变体搭载了 Molex 莫仕设计的 IP67 防护等级连接器。
未来路线图
SPE 的整个前提以标准化为中心。为了避免早期工业网络中出现的巴尔干化现象，SPE 工业合作伙伴网络的 50 余个成员许下承诺，依照 IEC 63171-6/-7 标准采用标准化对接面。该联盟也与诸个标准委员会积极广泛对接，包括：
- IEEE 802.3 — 传输方法
- IEC SC46C — 对称铜缆
- IEC SC 48B — 连接器
- ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 — 布线
- IEC SC65C — 工业网络
- ANSI/TIA TR-42 — 布线系统
随着业界对标准化予以高度关注，单对以太网有望成为工业 4.0 实施中的首选网络架构。工业自动化在多个功能领域的进步将变得更加容易且更具成本效益——设备、传感器和驱动器可以轻松集成到现有的以太网环境，而无需额外增设接口。
它也允许分散的传统网络合并入基于以太网的统一解决方案，从而加强通信，加快响应，改进 IT 维护操作。
这项新技术可以更无缝地连通更丰富的物联网基础设施选择，如智能传感器、阀门、执行器、驱动器、控制面板和其他过程自动化设备。潜在的行业应用领域包括建筑、车间和工厂自动化、机器对机器通信、照明系统、升降电梯和自动扶梯控制以及机器人。
身为 SPE 工业合作伙伴网络的资深成员，Molex 莫仕在 11 月召开的 SPE 2022 展会上，荣耀宣布了初始的 SPE 产品线。Molex 莫仕 SPE 在 40 米电缆距离下实现了高达 1 Gbps 的数据传输速度，未来版本将在 1 公里电缆距离下支持 10 Mbps 的数据传输速度。如今有了 SPE，看来工业元宇宙的未来会比以前更光明，也更加切实可行。
随着工业4.0，即工业物联网（IIoT）的到来，智能互联设备的优势已经得到证明。然而，为了充分发挥工业元宇宙的优势并充分实现传感器到云以太网无缝连接的愿景，必须解决关键的基础设施难题，而单对以太网技术(SPE)为此提供了解决方案。
让我们审视一下元宇宙和工业物联网所处的生态系统。假设我们将元宇宙视为物理世界的数字孪生，那么它可以充当一个有用的练习场和测试实验室，工程师和产品开发人员可以在这里测试新设计的产品、制造策略、物流策略等更多内容所带来的影响。它允许我们对新产品或战略的影响进行详尽评估，帮助利益相关者了解其战略决策和方向，并大大减少从概念到实施所需的时间和成本。
另一方面，工业物联网在现实世界中发挥作用，允许实时收集数据，并从机器设备上共享到整个MES和ERP系统，以记录数据并将生产效率提高到以太网和互联网出现之前不可能达到的水平。理想情况下，元宇宙和工业物联网不会彼此独立运行，而是相互联系的。驻留在云服务器中的人工智能模型会影响工厂车间，帮助其做出一些实时决策，同时，来自工厂车间的数据可用于进一步完善上述人工智能模型和数字孪生，这有助于业界不断开发出能够越来越准确反映现实世界的数字模型。
有人可能会说，对由工业物联网和元宇宙组成的数字和人工智能模型做出最关键贡献的领域之一是传感技术领域。传感器好似眼睛、耳朵和手指，它通知MES系统何时执行命令，何时进行维护或流程改进，并向ERP系统报告生产能力。最终，元宇宙通过将数据输入报告并把预期结果和实际结果相比较，在一定程度上判断现实世界中功能模型的准确性。令人惊讶的是，当今工厂和过程自动化中使用的大多数传感器和执行器并不直接驻留在以太网上，而是驻留在非基于以太网的现场总线上。
现有工业网络存在的问题
在物流领域，人们越来越关注所谓的“最后一公里配送问题”。随着消费者对网购中次日交货能力的期望值不断提高，交货过程中的“最后一公里配送”被认为是令顾客满意并保持成本竞争力的最关键环节。在考虑产品从工厂到仓库、到送货卡车、再到客户家门口的旅程时，从仓库到客户家门口的旅程被认为是“最后一公里”旅程。最后一公里配送会受到配送路线距离、交通、施工情况和天气等因素的影响。另外，与交货过程的最后一步相关的时间和成本所占总成本的比率相当可观，估计占比在50%以上。
而工业以太网在工厂和过程自动化方面也面临着类似的挑战。基于TCP/IP的以太网技术通常用于连接云、ERP、MES、生产单元和机器级控制装置。然而，这些系统的传感器和执行器位于生态系统的最边缘，许多工厂仍然谨慎地通过布线把它们连接到另一个现场总线，然后通过网桥或网关在以太网上传输。最终用户需要额外的程序和硬件来支持这些现场总线，因而要负担所产生的额外费用，在某些情况下，这是实施智能技术的实际障碍。因此，可以合理地说，元宇宙和工业物联网存在着“最后一米”的难题。
单对以太网可扭转乾坤
为解决这些问题，SPE工业合作伙伴网络(英语)于2019年成立。现在，该网络联盟拥有50多家成员公司（都是名副其实的布线和连接器供应商），其使命是将行业组织汇集在一起，以制定新的网络标准。
SPE是“单对以太网”的英文缩写。顾名思义，其关键创新是减少了布线，即：用一对双绞线代替原来的两对或四对。这种技术的明显好处是显着减轻了电缆重量并减小了电缆直径，电缆也明显更灵活，更容易布线。不仅如此，SPE还解决了工业网络的其它主要痛点：带宽、功率和覆盖范围问题。该技术支持在长达40米的单根电缆上传送速率高达1Gbps的信号，数据线供电（PoDL）功率高达50瓦。相比以往的技术，单对以太网技术使用数量更少的电线，传输更多数据并提供更大功率的电源。不仅如此，SPE还可支持在1000米长的线路传输10Mbps速率的信号，线路长度比工业以太网长10倍。更重要的是，与插座相关的电子设备在尺寸上被优化，因此我们更容易将SPE端口置入狭小空间。该技术减少了缆线的数量，并使缆线具有供电功能，可实现连接器的小型化，因此消除了将传感器安装到以太网上的主要障碍之一，即，以前的电缆和连接器技术受到物理空间的限制。
基线布线系统名为T1 SPE IP20，具有坚固耐用的特点，性能符合IP20防护等级要求，工作温度范围是-40至+85摄氏度，可进行多达1000次的插拔。对于更恶劣的环境，可使用M12 T1 SPE IP67系统，该系统使用Molex莫仕设计的IP67防护等级连接器。
未来路线图
实施SPE的核心前提是标准化。为了避免早期工业网络发生的条块分割问题，SPE工业合作伙伴网络的50多个成员已承诺根据IEC 63171-6/-7来设计标准化配接面。该网络联盟还就如下标准积极与范围广泛的各标准化委员会合作：
IEEE 802.3 – 传输方法
IEC SC46C – 对称铜缆
IEC SC 48B – 连接器
ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 – 接线
IEC SC65C – 工业网络
ANSI/TIA TR-42 – 布线系统
由于对标准化的高度关注，单对以太网有望成为工业4.0实施中的首选网络架构。跨越多个功能领域的工业自动化进步将变得更加容易和更具成本效益。传感器和执行器可以轻松融入现有以太网环境中，无需额外的接口。
它还允许将碎片化的传统网络合并到一个统一的基于以太网的解决方案中，从而实现更好的通信、更快的响应时间和更好的IT维护操作。
这种新产品可以更完美地连接到更多的物联网基础设施中，如智能传感器、阀门、执行器、驱动器、控制面板和其它过程自动化设备。潜在的行业应用场合包括建筑、工厂和工厂自动化、机器对机器通信、照明系统、电梯和自动扶梯控制以及机器人。
作为SPE工业合作伙伴网络的高级成员，Molex莫仕有幸在11月的SPS 2022展示会上宣布其最初的SPE系列产品。Molex莫仕的SPE可在40米长的电缆上传送速率高达1Gbps的数据，未来的版本将在1公里长电缆上传送10Mbps速率数据。如今有了SPE系统，工业元宇宙的未来看上去比以往任何时候都更加光明和可期。