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

另外，工業4.0現在還能在工廠設計部門和制造車間之間建立聯系。借助M2M通信，計算機輔助設計（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，讓其了解生產過程中遇到的挑戰，從而進一步完善設計，讓產品制造更加容易。

工業物聯網（IIoT）是制造商用來打造工業4.0解決方案的平臺。該網絡的一個重要作用是形成反饋回路，通過傳感器監控流程，并利用其數據控制和改善機器的運行。

實現IIoT并不簡單，極大的挑戰可能是投資成本。通過更好的設計和制造來節約成本、提高生產力和減少產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4.0的落地。要做到這一點，方法之一就是將工廠的IIoT網絡建立在成熟、容易獲取且比較實惠的以太網通信技術之上。

工業以太網

作為全球應用非常廣泛的有線網絡選擇，以太網具有出色的供應商支持和IP互操作性。而且，一組電線就可以同時傳輸電流和數據，為連接的傳感器、執行器和攝像頭供電。

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

但標準以太網協議容易丟失數據包，增加延遲。因此，它不適合同步且快速移動的裝配線。為了克服標準協議的弱點，工業以太網硬件增強了確定性，并結合了低延遲的工業協議，包括Ethernet/IP、ModbusTCP和PROFINET。

工業以太網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，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（"串擾"）。一個線對提供雙工連接的兩端。對于千兆以太網等高速系統，全部四個線對都用于傳輸數據。吞吐量要求較低（每秒可高達100兆比特）的系統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電話服務。

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，對于許多任務而言，它的設計過于復雜。在從CAD對機床編程時，高速以太網是很好的選擇，但對于報告傳送帶速度的傳感器來說，高速以太網則幾乎沒必要。基于以太網的IIoT大多用于收集適量的傳感器信息，以優化制造流程。這可能意味著大量資本支出被浪費在數千米的電纜上，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領域，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場總線替代方案來連接傳感器和不需要以太網全部功能的系統。這些現場總線通常用于工業儀表和遠程I/O等應用，電纜長度可達一千米，原始數據吞吐量可達每秒十兆比特。這些專有現場總線選項中，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4.0的工廠在企業資源規劃（ERP）和CAD等方面使用標準以太網，在工程運營和工廠資產管理方面使用工業以太網，在儀器儀表和遠程I/O方面則使用專有現場總線。這種情況并不理想，因為前兩個系統可以很好地協同工作，而后一個系統卻無法與之互操作。

單對以太網介紹

IEEE 802.3cg是近期的一項以太網規范修正案，旨在解決目前由非以太網現場總線提供服務的工業應用的問題。由于該修正案允許工廠的所有工業4.0操作都使用以太網平臺，因此其發展勢頭日益強勁。從工廠的主云服務器到遠程終端，再到低層的溫度監測器，每臺設備都能通過基于標準的單一協議相互通信。

單對以太網（SPE）電纜是該規范修正案的一個關鍵組成部分，顧名思義，它只通過單個絞線對，而不是傳統工業以太網的多對CAT 5e電纜來傳輸數據。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連接器，傳統的專有現場總線單絞線對布線仍可重新用于SPE，而無需拆除數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）來適應工業應用并降低成本。第一個物理層適用于短距離應用（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送電平以提高噪聲容忍度，低功耗空閑模式以節省能源。

“一次成功”的重要性

現代制造業要求精準度和可重復性。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品中的任何一種，并且能夠完美運行數年。越小或者越復雜的東西，所需的精度就越高；想象一下，以統一的質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，并且及時發現偏差以避免失控，從而實現所需的精度。第一次就把產品做好，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，這樣做更具可持續性，因為第一次就把產品做好，可以節省能源、碳排放和珍貴的材料。

結語

單對以太網使工程師能夠在整個工廠內使用工業以太網，即便是操作低層傳感器。這使得收集和分析所需的深度數據變得更加容易，既能提高生產運營水平，又能很大限度地發揮ML和AI等新技術的影響。

Steven Keeping曾獲得英國布萊頓大學的BEng（榮譽學士）學位。他先在Eurotherm和BOC電子部門工作了七年，之后加入《Electronic Production》雜志，擔任電子制造、測試和設計領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《What's New in Electronics》和《Australian Electronics Engineering》雜志的相關工作。2006年，Steven成為了專攻電子行業的獨立記者，目前居住在悉尼。

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