深度解析｜详解SPE技术（单对以太网，Single Pair Etherne）

单对以太网是工业自动化数据传输应用的新趋势，是工业物联网发展的基础。SPE技术突破了过往以太网传输的高空间占用和高传输成本的限制，首次实现以太网以更少空间占用和更低成本的方式来满足从远端到应用现场的通讯。 SPE仅通过一对铜线进行以太网数据传输的同时，SPE还通过PoDL(数据线供电）技术使用该对铜线对终端设备进行供电。而此前，百兆以太网需要两对铜线才能满足传输，而千兆以太网则需要四对铜线。SPE为工业以太网数据传输带来了更多甚至无限的可能。

在以往的工业网络中，以太网从企业级、操作级，过程级一直到控制级都占据主导地位。工业自动化网络应用的最高级，现场应用级，由于现场应用有大量的设备和传输分路，必须通过各种各样的总线系统来进行连接。在生产工厂，数以千计的传感器和执行器需要采用大量的线束进行连接。总之，大量的线束和高昂的成本。而此外，在安装时，网关和转换器之间也需要在彼此之间进行数据传输。

而近来，在现场级应用中，对更高效传输设施的需求显著增长。越来越多的传感器要求更高的传输数率，而总线传输系统已经无法满足。与此同时，越来越多的现场级应用要求以太网通讯设施、线束、连接器以及设备零部件等的具有更低的成本，更小的尺寸和空间占用。

一种占用空间更小、重量更轻、传输能力更强的以太网传输介质被迫切需要，从而使工业应用进入数字化、进入物联网的时代。而SPE就应运而生了。

SPE技术来自哪里？

单对以太网源于Brodcom’s Broad-Reach技术，并得到全球汽车工业的支持，被IEEE802.3工作小组制定为国际标准。

如何设计SPE？

SPE是现场级应用的重大重新，其节约了大量的空间。但是，并没有因为追求极致的小型化而忽略产品的稳定性。SPE产品的插座铁壳设计有4个非常强壮的过孔焊接插脚，其可以将产品非常可靠的焊接到PCB板上，从而保证产品的可靠性。

SPE的信号传输频率很高，优异的屏蔽是必不可少的。

SPE产品全新的标准画界面设计满足行业应用的各种要求。完全对称的对配界面设计保证了铜端子的使用寿命，并且也避免了信号叠加。

SPE连接器不同标准

IEC 63171 - 基本标准，包括所有必要的规格和测试序列（CD正在准备中）

IEC 63171-1 - CommScope 的 SPE 连接器，基于 LC 锁定，用于 M1I1C1E1 应用（CDV 可用）

IEC 63171-2 - Reichle ＆ De-Massari 的 SPE 连接器，用于 M1I1C1E1 应用（CD 可用）

IEC 63171-3 - Siemon 的 SPE 连接器，基于一对众所周知的 Tera 连接器，用于 M1I1C1E1 应用（NP 可用）

IEC 63171-4 - BKS 的 SPE 连接器，用于 M1I1C1E1 应用（NP 可用）

IEC 63171-5 - Phoenix Contact 基于 IEC 63171-2 插合面的 SPE 连接器，用于 M2I2C2E2 和 M3I3C3E3 应用（CD 可用）

IEC 63171-6（以前是 IEC 61076-3-125） - HARTING 和 TE Connectivity 的 SPE 连接器，用于 M2I2C2E2 和 M3I3C3E3 应用（CDV 可用，FDIS 在准备中，2019 年最终发布）

IMS CS工业部门采用IEC 63171-6 ,跟随Harting公司进行开发。IEC 63171-6 于 2020 年初发布，成为工业应用中首个SPE 连接的国际标准，由所有主要的标准委员会协商一致。标准文档已于 2016 年进行了完全发布，其包含易于可靠执行的所有必要的测试规格和测试序列。根据 IEEE802.3 的以太网协议标准定义了仅使用一对导线的以太网传输的技术框架。拥有具有引领行业趋势影响力的重要委员会。没有标准化的协议，就没有开放式标准。为了支持标准化组件的互操作性，IEEE802.3 遵循 ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 和 TIA42 的建议，以 T1 工业形式（IEC63171-6）作为工业应用的标准 SPE 接口。

IEC标准化委员会SC 48B已经发布了IEC 63171-6作为只使用单对线缆的以太网接口的国际标准。该标准将“T1 工业型”插合面描述为 SPE 网络中的国际标准化标准接口，主要由 HARTING 和 TE Connectivity 于 2016 年进行标准化，用于工业 M3I3C3E3 环境。该标准规定了从 IP20 接口到多个 IP65/67 版本的 M8 和 M12 设计的 SPE 接口。其他相关标准包括 IEC 61156-x 用于标准化 SPE 电缆，ISO/IEC 11801-x 系列用于标准化布线系统，以及 IEEE 802.3 的标准化 SPE 协议用于数据和电源。这些标准中的每一个都涉及 SPE 基础设施的不同方面，在技术的可扩展性方面起着关键作用。

SPE连接器的种类

M12——公/母和直角/斜角

M8——公/母和直角/斜角

面板——公/母和直角/斜角

锁定机构——符合IEC 63171-6标准的SEP接口集合：

M8插头，公，IP65/67：螺纹、推拉和卡式锁定

M12插头，公，IP65/67：螺纹和推拉锁定

插头 PCB，公，IP20：卡扣锁定

M8插孔，母，IP65/67：螺纹、推拉和卡式锁定

M12插孔，母，IP65/67：螺纹和推拉锁定

插孔 PCB，母，IP20：卡扣锁定

产品应用

机器人技术

工业机器人的电缆和供电线路要求很高

SPE电缆只有一对电线，显著更小，更灵活

电缆越小，它能够承受的弯曲和扭转循环就越多

这带来更长的使用寿命和更多的成本节约

相机和平面光追踪系统用于检测物体和定位工具。这些监控系统还用于检测和避免机器人在空间运动过程中的碰撞

交通运输

现代火车安装了无数公里的电缆用于车载和娱乐系统，这也增加了相当的重量

节省35%的重量：与标准以太网电缆相比，单对电缆每100米可以节省1.6千克的重量。在40年运行时间里，一辆铁路车辆的节省潜力约为每100米电缆的21,000欧元

长途旅行的座位预订系统

视觉乘客计数（乘客数量、容量监测、路线优化）

传感器和执行器级别

SPE是唯一可以填补控制级别和传感器执行器网络之间差距的基础设施。到目前为止，自动化级别必须分为两个主要部分：现场级别与其模拟总线系统和此基础上的所有设备。为了消除媒介中断，到目前为止，仍不能没有网关。SPE的到来，消除了网关、总线耦合器和转换器的需要，通过SPE，首次实现了传感器到云端的使用同一语言交流

自动化

将现场级别与Gbit/s以太网连接，因此媒体中断变得不必要，每个传感器都可以通过TSN实时运行

建筑自动化：SPE是网络连接灯光、温度、烟雾或空气传感器或用于控制窗户和百叶窗的基本组件，可以实现例如访客流量的检测和控制

工厂自动化：目前可以采集大量数据，但其中不到1%被使用和评估。需要端到端的、行业标准的通信才能使这些数据可用

过程监测

SPE工业伙伴网络

为了推动技术发展，2019年，七个技术领袖联合起来：HARTING、TE Connectivity、HIROSE、Würth Electronics、Bizlink、MURR Elektronik和Softing组成了创始成员，其目前超过50家成员公司，IMS CS自2020年起成为会员。会员公司将SPE视为工业物联网（IIoT）快速和可持续增长的基础。合作伙伴网络承诺遵守IEC 63171-6和IEC 63171-7。合作伙伴网络运营着一个专门的SPE网站，提供更多信息Single Pair Ethernet

产品特点

将两对或四对导线缩减为一对

最长传输距离为1000米

国际认可的标准

一致的数据结构（市场、现场设备、控制设备、站点、工作中心、企业）

IIOT + Industry 4.0 的关键技术

传输标准：10Base-T1、100Base-T1、1000Base-T1

数据传输速率高达 1 GBit/s（频率高达 600 MHz）

数据线上的电源供应（PoDL）高达 60 W

优点

它使电缆布线更容易，节省空间和重量，降低成本和减少安装时间；

为彻底改变制造过程的全新工业物联网应用带来新的可能；

基于标准化的接口，实现从传感器级到控制级、企业级，直到云端的高效网络和布线结构的建立；

符合IEC63171-6的标准化连接器设计；

结合PoDL技术，省掉单独的电源供应线束和连接器；

SPE是环境友好型的技术，通过电缆和连接器，现场设备、传感器和执行器可以很轻松的集成到现有的以太网环境中；

安装时不需要额外的网关和接口；

可以以各种方式为新的和现有的应用带来益处；

SPE比现有的现场应用总线系统更一致、更高效和具有成本效益。

单对以太网（SPE）是自动化领域新的应用趋势，为工业物联网（IIoT）提供必要的基础设施，它既可以满足不同的应用，也可以实现云端到现场应用级别的通讯，并节省空间和成本。预计到2030年，SPE仅在自动化领域就会有约5亿个节点。