当我们讨论工业4.0或者智能制造时,都知道实现这样的构想,一个基本的必要条件就是,要让数据在其中发挥核心的作用,基于大数据而建立起的洞察和分析,将成为整个工业系统运转的基石。而要实现这个目标,就需要将整个系统中的设备相互通信、互联,并组成一个工业互联网,以便数据在其中高效而可靠地传输和交互。

 

工业以太网技术的进化

 

将设备连接起来组成一个网络,这样的想法在以工业自动化技术为标志的工业3.0时代就已经有了,为此从上个世纪70年代开始,人们开发出了不同种类的工业现场总线,希望通过这种方式将以往彼此孤立的设备联通起来,实现分布式控制。不过,虽然工业现场总线有很广泛的应用,但是由于一直没有形成一个统一的标准,这就限制了工业网络的规模,所以该技术在后期也进入了瓶颈。

 

为了突破这一瓶颈,人们迫切希望打破不同工业现场总线之间的藩篱,将工业设备间的互联纳入到同一种网络架构之中,“工业以太网”也就应运而生了。所谓工业以太网,简单的理解就是将在IT领域广泛应用的以太网架构,引入到工业领域,这样一来采用标准以太网介质的工业网络,就在物理层和数据链路层上实现了标准的统一;与此同时,以太网传输速率更高、开发资源丰富、生态完善的优势也可以惠及工业网络。

 

这样的构想看上去很“完美”,不过现实中有一个绕不过去的技术门槛——从本质上来讲,标准以太网是一个“不确定”的网络,其采用的是载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的机制,优先考虑的是数据吞吐量,而不是对于工业网络至关重要的实时性、可靠性、丢包率、同步性等“确定性”的要求。为了迈过这道门槛,就需要对标准的以太网进行升级改造,增加一些特定的协议以保证网络的实时性和确定性,将其改造成为一个确定性的工业以太网,以达到工业应用场景的要求。进入21世纪之后,这种围绕工业以太网的“改造”一直没有停止过,也催生出了EtherCAT、PROFINET等优秀的协议,大大推动了其发展。有分析表明,近年来工业以太网的市场份额已经超过了传统的现场总线协议。

 

进入工业4.0之后,工业以太网的进化又向前迈出了一大步。在IEEE 802.1以太网标准框架下,人们通过定义一系列的“子标准”,形成了一套完整的TSN(时间敏感网络)协议,为以太网协议的MAC层提供通用处理机制,解决了以太网传输中时间同步、调度和流量整形,以及通信路径的选择、预留和容错等方面的挑战。此举一方面解决了以往不同协议网络(如采用不同工业以太网协议的子网络)之间的互操作问题,另一方面也可以在同一个网络架构中同时支持现场控制所需的实时性数据,以及生产管理与企业经营所需的非实时、大吞吐量的数据,打通OT(运营技术)和IT(信息技术)两个域,真正让数据在整个工业生产和运营过程中流动起来。

 

所有这些趋势都传递出一个强烈的信号:未来工业以太网连接领域将保持强劲的成长势头。这样的趋势对于整个以太网生态都是一个利好,当然也包括工业以太网连接器。

 

 

工业以太网连接器的特点

 

大家对于以太网接口使用的RJ45水晶头连接器都不会陌生。不过,就像是应用在工业领域的以太网协议需要进行特别优化一样,工业以太网中的连接器同样需要进行改造,才能适应特殊工业环境的要求。

 

与通用型的产品相比,工业以太网连接器的不同之处主要体现在三个方面——

 

环境耐受性

潮湿、粉尘、腐蚀性的气液环境、冲击、振动、电磁干扰……这些都是工业现场可能会面临的复杂恶劣的环境,这就需要工业连接器在IP等级、防机械冲击和振动、电磁屏蔽等方面采用特殊的设计,以确保在任何环境下都不会“掉线”。

 

易用性

为了达到环境耐受性的要求,工业以太网连接器免不了要采用一些附加的保护机制,而如果这些保护机制太复杂,使用不便,既会给现场操作人员带来困扰,也很可能会增加人为误操作导致的错配风险。因此既要耐用,还要好用,这是对工业以太网连接器的一个很重要的诉求。

 

小型化

可能有人会认为体积相对较大的工业设备,对于互连组件的尺寸不会那么斤斤计较,可实际情况并不是这样。现代工业设备需要与外界交互的“资源”越来越多,信号、电源、数据,甚至是气路、水路,这些都需要在有限的空间内进行合理的安排,挑战着实不小。这就要求以太网连接器要从自身挖潜,为提升互连密度做贡献。因此型化甚至微型化一直是工业以太网互连技术发展的一个主攻方向。

 

如果说工业以太网的部署,是一次面对特殊应用环境的特殊任务,那么投身到这个领域的连接器就像是一个个异于“常人”,具有不同超能力的“超级英雄”,它们的职责就是帮助用户去应对各种复杂应用场景中的挑战。

 

这些“超级英雄”有哪些?它们各自有什么禀赋和特点?作为开发者,应该如何调兵遣将,让这些工业以太网连接器各司其职,成为可靠互连的守护者?我们今天就以HARTING(浩亭)的一众工业以太网连接器为例,做个全面的盘点。

 

 

工业以太网连接器中的”超级英雄“

 

M8 D编码连接器

 

自1985年问世以来,M12连接器一直在工业自动化互连领域扮演着重要的角色。这种带有12mm锁定螺纹的圆形连接器具有防止液体和固体侵入的IP防护等级,可在恶劣的环境中实现可靠连接。由于应用十分广泛,为了避免错误配接,M12连接器通过多种键位编码来界定不同的应用,其中D编码连接器专门用于100Mbps的快速以太网连接。

 

在M12连接器方面,HARTING拥有非常丰富的产品组合,提供多种编码的产品。不过为了满足工业以太网连接器小型化的要求,HARTING特别推出了M8 D编码连接器(8mm锁定螺纹)。

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M8 D编码连接器(8mm锁定螺纹)

 

该产品支持100Mbps的数据传输速率以及PoE以太网供电,能够达到IP67防水防尘等级,在现场级工业条件下可提供出色的可靠性和数据传输的完整性。

 

值得一提的是,与经典的M12接头相比,M8 D编码连接器的尺寸减小了30%!可以说,它是传统M12 D编码连接器实现小型化的理想之选。

 

PushPull 2.0 Variant 4工业连接器

 

M12圆形连接器固然技术成熟且可靠性高,不过其外壳密封件必须在一定压力下才能完全闭合并实现良好的密封性,因此在连接时通常需要专用的工具才能正确地“夹紧”连接器插头并拧紧到适当的扭矩,其易用性显然会打折扣。

 

HARTING推出的推拉式(PushPull)连接器正好可以解决这个问题。顾名思义,推拉式连接器无需使用专用工具,只需简单推和拉的动作即可完成连接器插和拔的操作。

 

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PushPull 2.0 Variant 4工业连接器

 

PushPull 2.0 Variant 4(V4)工业连接器就是一款针对机器人和工业自动化市场而推出的新品,其突出的亮点就是仅用一个密封垫圈就可以取代传统的三个密封件,在确保足够的IP密封等级的同时简化了结构和配接操作。其可耐受化学品侵蚀的新型外壳材料也可以让产品免受气体、液体和振动等因素的影响,轻松满足严苛环境下的连接需求。

 

PushPull V4工业连接器采用内部锁定机制,容易插拔,安装到位时还会发出“咔哒”声以供确认。该连接器还具有额外的防转动装置,可将PushPull锁定组件固定在插入状态,确保连接的可靠性,避免意外被拉出。为加快即插即用的速度,第二代PushPull还在外观上加入两种不同的颜色标识,用于识别连接器与插槽是否对齐并正确无误地插入,以及确认插头与插槽的配置是否正确,以减少配接错误,节省组装时间。

 

可见,如果需要一款现场配接操作便利,同时兼具可靠性和小型化特点的工业以太网连接器,PushPull 2.0 Variant 4可以列入BOM清单之中。

 

Han®️1A重载连接器

 

在实现工业互连的微型化、轻量化方面,HARTING Han®️1A重型连接器也是一个很好的选择。

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Han®️1A重型连接器

 

Han®️1A功能全面,具有多达12个触点,其插芯可用于电源、信号和数据传输——其中电源传输高达16A/400V;而如果用作数据传输,可支持Cat. 5或Cat. 6A的性能;而且对于信号干扰强的区域,还有屏蔽型的产品提供。

 

与“前辈”产品Han®️3A相比,Han®️1A的尺寸缩小了30%。同时,由于使用轻质材料,其重量也很轻巧。

 

Han®️1A插入式锁紧卡扣可使连接器的锁紧结构与插芯结合成一个整体,无需任何工具,只需轻轻一推,听到“咔哒”声即可完成插接。用户也可在外部加配金属固定卡扣,给连接多一重保障。

 

特别值得一提的是,Han®️1A也继承了Han®️家族产品模块化的设计理念,客户可根据不同应用的场景和需求,自由搭配不同的组件,实现不同的功能和防护等级(高至IP65),获得性价比更高、灵活可扩展的专属解决方案。

 

因此,如果你在寻找一款无惧恶劣工业环境和户外环境,可在冲击和振动条件下实现轻松连接,且外形轻巧、灵活易用的模块化工业以太网互连解决方案,选Han®️1A准没错!

 

ix Industrial®️以太网连接器

 

为了更好地适应工业以太网的应用要求,一方面各个连接器厂商会在M12、PushPull、模块化连接器这些既有的接口标准和产品上进行改良,另一方面也在积极推动全新的专有接口标准的制订和应用。ix Industrial®️接口就是这些年来呼声颇高的新型工业以太网接口标准。

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ix Industrial®️ 以太网连接器

 

ix Industrial®️连接器的初衷,就是要替代传统的RJ45连接器,其体积与RJ45连接器相比缩小了70%,功能更强大,也更坚固可靠,且都符合IEC61076-3-124标准,确保了产品间的兼容性。

 

HARTING也是ix Industrial®️接口标准的积极推动者之一,其推出的ix Industrial®️连接器可支持1Gbps/10Gbps以太网的性能(Cat. 6A),插拔次数高达5000次。该连接器使用由金属制成的两个稳定的卡扣钩来实现插座和连接器的主动锁定,并提供清晰的触觉反馈来帮助用户确认牢固连接。此外,这些以太网连接器电缆护套和插头之间的连接采用稳固的压接连接形式,确保了接口的牢固性,能满足EN 50155铁路规范中规定的较高的抗冲击和抗振性要求。

 

HARTING的ix Industrial®️连接器提供A型(Cat. 6A以太网)和B型(信号和总线通信)两种版本,并在不断开发更多的接线和安装方式,包括弯角、直角和水平等PCB板端安装方式。

 

简言之,HARTING的ix Industrial®️连接器在实现高性能的数据传输基础上,通过重新定义外形及锁定、装配等机制,打造出了一款全面优化的工业以太网互连解决方案,可以说是工业以太网设备硬件互连升级的不二之选。

 

T1工业单对以太网(SPE)连接器

 

ix Industrial®️连接器备受青睐,不过熟悉工业以太网互连技术趋势的小伙伴一定知道,这两年另一个技术的话题热度更高,这就是单对以太网(SPE)连接器。

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T1 Industrial®️ SPE连接器

 

大家知道,以往的工业以太网常用的是4芯(2对)双绞线或8芯(4对)双绞线的连接方式,而SPE连接器只需通过1对双绞线,就可以实现1Gbps的传输速率和长达1km的传输距离,这种全新的架构在性价比上颠覆性的优势,无疑会改变未来工业以太网的生态,因此被视为工业以太网接口的明日之星,有分析称未来SPE连接器很可能会替代ix Industrial®️连接器成为主流架构。

 

图1:SPE单对以太网互连系统架构

(图源:HARTING)

 

HARTING顺应SPE的发展和应用趋势,推出了T1 Industrial®️ SPE连接器,该产品采用高度优化的高频设计,带360°屏蔽,机械强度高,符合标准的设计使其能够满足人们对于SPE的所有期待。

 

T1只需使用两根电线即可实现10Mbps至1Gbps的以太网数据传输,且可通过数据线供电(PoDL)同时为终端设备传输电能。这些连接器的额定电压为60VDC,可插拔1,000次,工作温度范围为-40℃至+85℃,紧凑的外形使它较容易被安装到常用的M12、M8、PushPull和SnapIn等外壳中,提供IP20至IP65/67的密封等级,满足广泛的工业物联网应用场景的要求。这类产品的推出对于SPE单对以太网的标准化和应用落地,也会起到积极地推动作用。

 

因此,如果你正在超前布局未来的工业以太网产品和方案,从HARTING的T1 Industrial®️ SPE连接器入手,肯定是一个很好的选择。

 

本文小结

 

工业以太网的前景广阔,不过大家也心知肚明,想要在复杂恶劣的工业环境中确保高性能、高可靠的互连并非易事,有时甚至看上去是一件“不可完成的任务”。

 

好在,我们有很多具有“超能力”的“超级英雄”工业以太网连接器来助阵,它们要么是在原有技术和标准基础上进行深度地挖潜和优化,要么是在一个全新定义的新标准上释放自己的超能力,大家一起协力,帮助各个层面上的用户实现构建工业以太网的夙愿。

 

图2:HARTING的工业以太网连接器“超级英雄”战队

(图源:HARTING)

 

在这方面,HARTING公司的“超级英雄”连接器战队可谓是齐装满员,可以随时听你的调遣。快来点将吧!

 

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