如何利用單對乙太網路節省空間和重量，同時改善工業 IoT 的效能

乙太網路是工業物聯網 (IIoT) 最常用的有線網路標準，可提供穩健效能以及經過實證的可靠性。此外，乙太網路供電 (PoE) 可透過相同的乙太網路纜線，供電給感測器和 IIoT 端點，進而減少接線。乙太網路也成為客車的標準之一，在許多情況下正取代控制器區域網路 (CAN) 序列協定。這為自動駕駛和先進駕駛輔助系統 (ADAS) 提供顯著的優點，因為乙太網路兼具可靠性與高數據傳輸率。

然而，在大型 IIoT 網路中，乙太網路線捆可能又大又重、雜亂不堪，導致線捆變成阻礙，讓設備承受重擔，也需要額外加固。對汽車應用來說，這特別容易造成問題，因為額外的重量和空間會減少容量和里程數。在卡車、客運火車、貨運火車和飛機等工業運輸應用中，額外的纜線尺寸及重量可能相當大，以致於必須在系統設計中進行補償，因此會增加成本並拉長設定時間。

為了因應這些問題，製造商引進單對乙太網路 (SPE) 連接器和纜線，並且這些纜線還支援數據線供電 (PoDL)。SPE 單靠一對雙絞線導線，就能提供高速數據傳輸以及供電。本文將說明 SPE 在工業和運輸應用中的優點。接著會探討 Phoenix Contact 的兩款 SPE 連接器，以及兩條適用於 SPE 應用的 SPE 纜線。

SPE 與傳統乙太網路的比較

乙太網路是商業和工業區域網路 (LAN) 最常用的有線網路標準。最廣泛使用的版本是 10/100Base-T 乙太網路和 Gigabit 乙太網路；前者使用兩對雙絞線來傳送數據，後者使用四對雙絞線。由於工業自動化系統需要更快的速度，使用具有 PoE 的 Gigabit 乙太網路將電腦連接至感測器，已變得更加普遍。一般來說，雙絞線會使用 24 AWG 銅線。這八條電線通常封裝在工業級 CAT5e 纜線內，並且用泡棉膠帶和箔片屏蔽包覆。在大型工業設施中，整棟大樓中會佈滿數百條這種纜線。這些線捆會很沉重，但不會佈線在地板上，以免絆倒人員，而是捆成線束連接在牆壁和設備上。這些線捆的重量可能達到 50 lb 或更重，如果不處理額外纜線所增添的重量，則可能會拉緊或折斷纜線支撐系統，設備甚至會倒下來。

此外，傳統乙太網路纜線的長度限制為 100 m。在較大的工業設施以及大樓自動化系統中，有時必須使用中繼器來延伸乙太網路纜線的範圍，以便觸及遠端感測器。但這會增加系統複雜性，並產生其他維護點。由於要花費更多的時間和費用來鋪設這些厚重的纜線，採用替代的佈線方法顯然勢在必行。

SPE 提供雙向數據，並利用一條雙絞纜線來輸送電力。其支援的纜線長度長達 1000 m，能將範圍延伸至連網感測器，而無需使用中繼器。如此即可大幅減少重量，並藉由簡化佈局，讓安裝更加容易，同時提供最大的電源效率和更小的覆蓋區，設定及維護成本也低於傳統乙太網路。雖然工業系統可以使用屏蔽式護套來避免線捆互相干擾，但也支援未屏蔽的輕型纜線。這在汽車應用中很有利，能在空間受限的區域中更輕易鋪設輕型纜線，例如座位底下的區域，以及車側踏板下方。SPE 兼具纜線較小較輕的優點，還能在符合成本效益的單一對線路中提供高速的數據與電力傳輸，因此預計即使未在工業通訊標準中成為主流，也會成為熱門的選擇。

SPE 基礎知識

針對 10 Mbit/s SPE，其正式 IEEE 規格為 802.3cg。可支援長達 1000 m 的全雙工數據通訊。

IEEE 802.3bw 可在纜線長達 50 m 下支援高達 100 Mbit/s 的全雙工數據通訊。其目標是工業應用和某些汽車應用中的高速感測器。

IEEE 802.3bp 可在纜線長達 15 m 下支援高達 1000 Mbit/s 的全雙工數據通訊。此纜線長度適合一些工業感測器應用，但特別適合高解析度影片，以及小型飛機和商業汽車應用，因為這些應用必須在相當短的距離內高速傳遞感測器資料。

目前，IEEE 802.3ch 可在長達 15 m 的纜線長度下，支援高達 10 Gbps。此標準和 802.3bp 類似，但包含實體層 (PHY)。主要是著重於商用汽車與工業運輸應用，可滿足相當重要的系統設計考量，包括高數據傳輸率、較小的纜線直徑，特別是更輕的重量。

具有 PoDL 能力的 SPE 可透過同一對雙絞線供電給乙太網路感測器或端點，電力傳輸量則取決於纜線長度及線規。使用 14 AWG 線規時，在 1000 m 最大長度下，IEEE 規格能在端點處達到 60 V 和 13.53 W 的功率。

工業 SPE 硬體

工業 SPE 連接不使用 RJ45 連接器，而是採用新的 IEC 63171 T1 連接器標準。Phoenix Contact 提供一系列適合工業應用的 SPE 連接器和纜線。

對於需要 IP67 等級耐用度的工業 SPE 應用，Phoenix Contact 提供真正的 M8 連接，採用 1163793 SPE M8-2 嵌件與 1412502 M8 外殼 (圖 1)。外殼與嵌件互相結合，可提供 IP67 等級防護，適合嚴峻的工業環境。此輕型組件也適合用於航空和運輸系統。

圖 1：Phoenix Contact 的 1163793 M8-2 嵌件 (左) 和 1412502 M8 外殼 (右) 提供真正的 SPE M8 解決方案，組裝後能提供 IP67 等級防護。(圖片來源：Phoenix Contact)

此連接器組件能在 4 A 下提供高達 72 V 的 PoDL，額定溫度範圍介於 -40°C 至 +85°C，因此適合供電給戶外環境中的 IIoT 端點及感測器節點。採用常見的 M8 連接器樣式，因此系統製造商可以輕鬆利用 M8 連接器，將既有的感測器和設備改裝至 SPE。SPE 連接器組件使用標準的 SPE M8-2 連接器模式和 D 編碼，確保只有 SPE 纜線能插入連接器組件中。

企業 SPE 硬體

SPE 也適合用於企業系統，包括辦公室環境，可使用較輕、直徑較小的纜線更輕易建構與佈線。IP67 工業應用可以使用相同的 SPE 網路，輕鬆與這些企業系統進行互動。對於一般需要 IP20 等級防護的企業應用來說，Phoenix Contact 的 1163797 SPE 模組化插孔是適當的解決方案。此通孔焊接式 IEC 63171 插孔具有鎖定夾，可確保纜線穩固連接 (圖 2)。

圖 2：Phoenix Contact 的 1163797 模組化 SPE 插孔與目前所有的 SPE 標準都相容。在 4 A 下，此插孔的額定電壓高達 72 V。(圖片來源：Phoenix Contact)

為避免錯接，M8-2 嵌件已經插入。插孔有兩個鍍金的銅合金插頭，能將接觸電阻降到最低，因此能在 4 A 下提供高達 70 V 的 PoDL。M8 外殼採用鍍鎳黃銅，能抗腐蝕。

1163797 支援目前所有的 802.3cg/bu/bw/bp SPE 連接器規格。此產品能耐受嚴苛的環境，插拔次數規格超過 750 次，具有 IP20 等級防護，工作溫度範圍介於 -40°C 至 +85°C，尺寸為 5 x 8.35 x 14.2 mm。因此適合焊裝於偶爾會抽換纜線的單板電腦 (SBC) 以及可編程邏輯控制器 (PLC)。此產品在一些情境中已經有實證用處，例如可能需要針對不同產品組件進行重新配置的製造設施。

IIoT 適用的 SPE 纜線

對於較短的 SPE 連接，Phoenix Contact 提供 1183808 2 m SPE 纜線。此纜線在 4 A 下支援高達 72 V 的 PoDL，每個纜線端接處有兩個 SPE 插座 (圖 3)。傳統乙太網路的纜線端有插孔，端點處有插座，SPE 硬體則相反。

纜線護套以聚氨酯製成，能抵抗紫外線 (UV)、磨蝕和多數溶劑。而且，聚氨酯纜線即使接觸日照和水分，也不會縮小和破裂，並且能耐受工業環境中常見的不當使用方式。纜線採用塑膠塗層鋁箔包覆的鍍錫銅編織加以屏蔽，能抵抗電磁干擾 (EMI)。因此適用於電氣雜訊環境，尤其是搭配其他高速纜線時。

圖 3：Phoenix Contact 的 1183808 SPE 纜線長度為 2 m，並具有聚氨酯護套。此產品能屏蔽 EMI，並支援高達 1000 Mbit/s 的數據傳輸率。(圖片來源：Phoenix Contact)

纜線插座觸點採用銅合金，並支援符合 802.3cg 的 10 Mbit/s 數據傳輸，以及 100 Mbit/s 802.3bw 速度。最高傳輸率為 802.3bp 1000 Mbit/s，因此不只適用於感測器，也適用於高解析度 (HD) 影像監視設備。

纜線護套防水防塵，並具備 UL94V0 耐燃等級，纜線組件則因具有纜線端接連接器，防護等級為 IP20。每個連接器都配有鎖定夾，能將纜線穩固接至插孔端點。此鎖定機構是 SPE 連接器標準的一部分，可避免在繁忙環境中遭到意外拔除。纜線的額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +85°C，插拔次數多達 750 次。纜線適合在室內搭配插線板使用，也適合 IIoT 感測器和 SPE 接線盒之間的連接。

對於需要較長纜線的應用，Phoenix Contact 提供 1183811 5 m SPE 纜線，此產品和 1183808 的規格相同。

結論

在 IIoT、汽車和企業等應用中改用單對乙太網路 (SPE)，有助於設計人員滿足對高速連接解決方案的需求。這些解決方案更輕、更小、更容易使用，並且能降低成本。不過，在部署 SPE 網路時，設計人員必須慎選使用的連接器和纜線，確保在條件嚴峻及具有電氣雜訊的環境中可靠地連接。

如本文所示，目前有許多連接器都能藉助真正的 M8 SPE 連接器，輕鬆讓 IP20 等級的企業系統與 IP67 工業控制系統互連，在兩者間提供順暢的連接和電力傳輸能力。透過新增的 PoDL 功能，SPE 連接能輕易在企業和工業環境中為 IIoT 端點提供電力和數據，而且不必額外接線，因此能大幅簡化部署作業。