早在70年代，“工業(yè)3.0”是制造業(yè)范式轉變的名稱，它采用信息技術來促進自動化，提高生產力，精度和靈活性。隨著工業(yè)4.0的成熟，通過智能技術、機器對機器（M2M）通信和機器學習（ML）實現的工業(yè)大規(guī)模自動化正在實現。兩者之間的關鍵區(qū)別在于，工業(yè)3.0為人類提供了更好的決策信息，而工業(yè)4.0則使用數字信息來優(yōu)化流程，而無需我們的干預。

更重要的是，工業(yè)4.0現在可以在工廠設計辦公室和制造車間之間建立聯系。通過使用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。機床可以與CAD對話，讓它了解生產過程中的挑戰(zhàn)，以便可以修改項目，使其更容易制造。

工業(yè)物聯網（IIoT）是制造商構建工業(yè)4.0解決方案的平臺。網絡的一個重要作用是形成反饋回路，傳感器借此監(jiān)控過程，其數據用于控制和增強機器操作。

雖然實施IIoT遠非簡單，但最大的挑戰(zhàn)可能是投資成本。雖然投資可以通過更好的設計和制造帶來的成本節(jié)約，提高生產力和減少產品故障來證明，但任何可以減少資本外流的措施都可能加速工業(yè)4.0的采用。實現這一目標的一種方法是將工廠的IIoT網絡基于經過驗證的、可訪問的且相對便宜的以太網通信技術。

工業(yè)以太網

作為世界上使用最廣泛的有線網絡選項，以太網帶來了良好的供應商支持和IP互操作性。此外，一組電纜可用于傳輸電流和數據，為連接的傳感器、致動器和攝像頭供電。

“工業(yè)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(yè)自動化提供成熟的技術。工業(yè)以太網不僅可以傳輸重要信息，還可以讓遠程管理人員輕松訪問車間的機器、PLC和控制器。

然而，標準以太網協議容易丟失數據包，這增加了其延遲。這使得它不適合同步和快速移動的裝配線。為了克服標準協議的弱點，工業(yè)以太網硬件與確定性的低延遲工業(yè)協議合作，包括Ethernet/IP，ModbusTCP和PROFINET。

工業(yè)以太網部署使用標準產品CAT 5e的強化版本例如，CAT 5e電纜包括收集成四個雙絞線的八根電線。絞合限制了每對導線之間的信號干擾（“串擾”）。線對提供雙工連接的兩端。對于高速系統，如千兆以太網，所有四對都用于傳輸數據。吞吐量要求較低（高達每秒100兆比特）的系統可以只使用兩個雙絞線進行操作，留下備用電源或傳統電話服務等。

專有解決方案填補差距

使用CAT 5e電纜進行IIoT部署的一個缺點是，它需要重新設計以執(zhí)行許多任務。高速以太網在從CAD編程機床時非常好，但對于報告?zhèn)魉蛶俣鹊膫鞲衅鱽碚f幾乎不需要?；谝蕴W的工業(yè)物聯網的大部分用于收集適量的傳感器信息，以優(yōu)化制造過程。這可能意味著大量的資本支出與幾公里長的電纜捆綁在一起，而這些電纜的工程能力永遠不會被使用。

在對成本敏感的工業(yè)部門，通常通過轉向更便宜的替代品來避免這種浪費。制造商不再把錢花在昂貴的電纜上，而是轉向價格便宜得多的專有現場總線替代品，以連接不需要以太網全部功能的傳感器和系統。這些現場總線通常用于工業(yè)儀表和遠程I/O等應用，并提供長達1公里的電纜長度和高達每秒10兆位的原始數據吞吐量。許多專有現場總線選項（例如，哈特、PROFIBUS PA和4- 20 mA）使用相對便宜的單雙絞線電纜。

如今，實施工業(yè)4.0的工廠使用標準以太網進行企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）和CAD，使用工業(yè)以太網進行工程運營和工廠資產管理，使用專有現場總線進行儀器儀表和遠程I/O。這并不理想，因為雖然前兩個系統可以很好地協同工作，但后者不能與它們互操作。

單對以太網簡介

IEEE 802.3cg是最近的以太網規(guī)范修正案，旨在解決目前由非以太網現場總線服務的工業(yè)應用。該修正案正在獲得動力，因為它允許所有工廠工業(yè)4.0操作使用以太網平臺。每一臺設備，從主工廠云服務器到遠程終端，再到最低的溫度監(jiān)控器，都將能夠通過一個基于標準的協議相互通信。

規(guī)范修訂的一個關鍵組成部分是單對以太網（SPE）電纜，顧名思義，它只通過單對雙絞線傳輸數據，而不是傳統工業(yè)以太網的多對CAT 5e電纜。這對工廠主來說是一個布恩，因為它大大降低了建筑物通訊線路的成本和體積。更好的是，盡管有了新的以太網連接器，傳統的專有現場總線單雙絞線可以重新用于SPE使用-沒有必要扯掉幾公里長的舊電纜更換為新的。

IEEE 802.3cg還引入了兩個新的物理層（PHY），以適應工業(yè)應用并降低成本。第一種適用于短距離應用（最長15米），而第二種可提供最長1公里的距離，并包括可選的放大發(fā)射電平，以提高噪聲容限和低功耗空閑模式，以節(jié)省保存能源。

“正確的第一次”的重要性

現代制造業(yè)要求精度和可重復性。一個組件或子組件的制造公差必須足夠嚴格，這樣它們才能用于最終產品的數千個例子中的任何一個，而且還能完美地運行多年。隨著產品變得越來越小或越來越復雜，對精度的要求也越來越高;想象一下，不斷制造高端機械手表或最新的智能手機。

IIoT可以通過實時控制和在偏差失控之前發(fā)現偏差來實現這種精度。第一時間獲得正確的產品可以減少消費者的故障和無休止的保修索賠。它還節(jié)省了資金，也許更重要的是更具可持續(xù)性，因為第一次正確地制作東西可以節(jié)省能源，排放和寶貴的材料。

結論

單對以太網使工程師能夠在整個工廠利用工業(yè)以太網，即使是最低的傳感器的操作。這使得它更容易收集和分析所需的深層數據，以增強制造業(yè)務并最大限度地發(fā)揮ML和AI等新技術的影響。

審核編輯 黃宇