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The New 10BASE-T1L Standard—Has Anything Changed? 作者：Thomas Brand，ADI高級現場(chǎng)應用工程師以 ｜ Thomas Tzscheetzsch，ADI高級現場(chǎng)技術(shù)主管 摘要 我們日常生活的許多方面，都離不開(kāi)各種設備之間的數據通信。數字化和工業(yè)4.0帶來(lái)的設備激增和數據量的急劇增加正在改變通信領(lǐng)域。 例如：過(guò)程自動(dòng)化等領(lǐng)域需要使用集成網(wǎng)絡(luò )，以支持工廠(chǎng)范圍內的連接需求。我們必須從運營(yíng)技術(shù)(OT)機器中提取并處理數據，然后將處理過(guò)的數據提供給公司層面的計算機系統(IT)進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于之前的4 mA至20 mA或現場(chǎng)總線(xiàn)應用在數據通信方面遇到了瓶頸，以太網(wǎng)開(kāi)始成為通信標準。首先是新的以太網(wǎng)標準10BASE-T1L，一種2線(xiàn)以太網(wǎng)解決方案，線(xiàn)路長(cháng)達1000米，傳輸速度為10 Mbps，同時(shí)支持PROFINET、Ethernet/IP、OPC UA、Modbus-TCP等傳輸協(xié)議。利用這個(gè)標準，我們可以繼續使用現有的2線(xiàn)布線(xiàn)，從而避免浪費我們的投資。 本文介紹了10BASE-T1L的基礎知識，并展示了與選擇各種應用適用連接器相關(guān)的產(chǎn)品。通過(guò)數據線(xiàn)實(shí)現各種互連設備的電力傳輸在10BASE-T1L中也發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。 簡(jiǎn)介 數據通信不僅在工業(yè)領(lǐng)域，在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域也發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。之前的4 mA至20 mA或現場(chǎng)總線(xiàn)應用由于數據量的激增也開(kāi)始遇到瓶頸，因此以太網(wǎng)開(kāi)始成為通信標準。標準的4線(xiàn)以太網(wǎng)解決方案已發(fā)展為2線(xiàn)解決方案，我們稱(chēng)之為10BASE-T1L，該解決方案由單對雙絞線(xiàn)或單對以太網(wǎng)(SPE)組成。10BASE-T1L位于物理層之上，兼容現有的100 Mbps或1000 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，因此可作為一種補充。 10BASE-T1L開(kāi)始標準化，尤其是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，并且有可能在該領(lǐng)域帶來(lái)翻天覆地的變化。目前，該領(lǐng)域的傳感器和執行器通常都是通過(guò)4 mA至20 mA模擬接口或現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行連接。與機械工程或工廠(chǎng)自動(dòng)化不同，過(guò)程自動(dòng)化的傳感器和執行器通常與控制系統或遠程I/O系統有一定距離。常見(jiàn)的距離為200-1000米或更遠。 但是10BASE-T1L到底是什么，這種技術(shù)具有什么優(yōu)勢，它為什么會(huì )成為新標準？ 我們將在后續部分回答這些問(wèn)題。 10BASE-T1L意味著(zhù)什么？ 10BASE-T1L這個(gè)名字大致解釋了其含義。這里使用了電氣與電子工程師協(xié)會(huì )(IEEE)縮寫(xiě)。 介質(zhì)類(lèi)型中的“10”是指10 Mbps傳輸速率�！癇ASE”是指基帶信號，即只有以太網(wǎng)信號才能通過(guò)介質(zhì)傳輸�！癟”代表“雙絞線(xiàn)”。數字“1”代表1 km范圍。在這種情況下，后面跟著(zhù)的“L”代表“長(cháng)距離”，意味著(zhù)段長(cháng)可能為1 km甚至更長(cháng)。 此外，還存在其他網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，如10BASE-2（最大段長(cháng)為185 m的較細同軸電纜）、10BASE-5（最大段長(cháng)為500 m的較粗同軸電纜）、10BASE-F（光纜）或10BASE-36（具有多個(gè)基帶通道，且最大段長(cháng)為3600 m的寬帶同軸電纜）。 10BASE-T1L可分類(lèi)至OSI模型的哪一層？ 10BASE-T1L可使用現有的2線(xiàn)基礎設施，線(xiàn)路長(cháng)度高達1000 m，傳輸速度為10 Mbps。物理以太網(wǎng)技術(shù)僅在開(kāi)放系統互連(OSI)模型的第1層（位傳輸層或物理層）定義。10BASE-T1L在位傳輸層之上，支持常用以太網(wǎng)協(xié)議（如PROFINET、Modbus等）以及樓宇管理系統中常用的其他總線(xiàn)系統（如BACnet、KNX和LON）。表1為模型層及協(xié)議和總線(xiàn)系統概覽。 10BASE-T1L可利用第1層的特殊以太網(wǎng)PHY實(shí)現。以太網(wǎng)幀通過(guò)介質(zhì)無(wú)關(guān)接口(MII)、簡(jiǎn)化MII (RMII)或簡(jiǎn)化千兆MII (RGMII)在MAC和PHY之間傳輸。 MAC由以太網(wǎng)標準IEEE 802.3定義，在數據鏈路層（第2層）中實(shí)現。PHY構成物理接口，并負責傳輸介質(zhì)和數字系統之間數據的編碼和解碼。 10BASE-T1L可與哪些設備和機器一起使用？現有基礎設施可以在多大程度上與其一起使用？ 10BASE-T1L設計用于在許多（如果不是大多數）過(guò)程自動(dòng)化應用中取代4 mA至20 mA標準化信號。然而，這并不意味著(zhù)通過(guò)4 mA至20 mA電流環(huán)路連接的舊款現場(chǎng)儀表必須更換為支持10BASE-T1L的現場(chǎng)儀表。這些傳統設備可通過(guò)軟件可配置I/O (SWIO)模塊進(jìn)行連接，而遠程I/O則用作通過(guò)10 Mbps以太網(wǎng)上行鏈路與PLC連接的采集點(diǎn)。 軟件可配置I/O模塊具有可重新配置的模塊通道，允許模塊快速、輕松地遠程運行，無(wú)需大量重新配線(xiàn)。通道可配置為電流和電壓的輸入或輸出，或數字和模擬的輸入或輸出。 在某些情況下，需要通過(guò)10BASE-T1L為設備供電以及傳輸設備數據，這被定義為標準的一部分。圖1顯示了通過(guò)4 mA至20 mA電流環(huán)路連接的傳統現場(chǎng)儀表和支持10BASE-T1L的新型現場(chǎng)儀表的混合示例。 表1OSI模型及其協(xié)議和總線(xiàn)系統概覽
圖1.采用傳統現場(chǎng)儀表和支持10BASE-T1L的現場(chǎng)儀表的架構示例 10BASE-T1L支持兩種幅度模式：電纜長(cháng)度不超過(guò)1000 m為2.4 V，電纜長(cháng)度不超過(guò)200 m為1 V。通過(guò)采用1.0 V的峰-峰幅度模式，該技術(shù)還可以用于防爆環(huán)境（危險區域），并滿(mǎn)足防爆環(huán)境嚴格的最大能耗要求。 根據行業(yè)聯(lián)盟的規定，高級物理層(APL)基于10BASE-T1L標準構建，同時(shí)定義了過(guò)程自動(dòng)化的本質(zhì)安全操作。 同樣，Ethernet-APL支持向使用現場(chǎng)至云端連接的無(wú)縫過(guò)程自動(dòng)化設備過(guò)渡，包括食品和飲料、制藥以及石油和天然氣行業(yè)中存在潛在爆炸性氣體環(huán)境的區域。此外，APL還定義了通過(guò)單條雙絞線(xiàn)線(xiàn)路傳輸的電源供應等級。 10BASE-T1L未定義具體的傳輸介質(zhì)（電纜）。只規定了電纜的回波損耗和插入損耗要求�，F場(chǎng)總線(xiàn)Type A電纜為可選電纜。這允許重復使用現有的PROFIBUS或基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)布線(xiàn)。10BASE-T1L可通過(guò)長(cháng)達1000 m的電纜與一對平衡導體一起使用，且不會(huì )出現任何問(wèn)題。然而，在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中，需要使用屏蔽電纜（如Type A電纜），同時(shí)使用連接器、螺絲端子或穿孔板(punch-down block)。一些10BASE-T1L交換芯片具有集成診斷功能，可檢查電纜信號質(zhì)量。因此，10BASE-T1L是一項非�？煽康耐ㄐ偶夹g(shù)，即使是將電線(xiàn)混在一起使用也不會(huì )出現問(wèn)題。 10BASE-T1L具有什么優(yōu)勢？ 傳統4 mA至20 mA與HART®和現場(chǎng)總線(xiàn)設備的數據帶寬有限，只有幾個(gè)kbps。利用10BASET1L，可實(shí)現10 Mbps的傳輸速度。這樣，不僅可以傳輸過(guò)程值，還可以傳輸其他設備參數，如配置和參數化信息。未來(lái)，可以相對快速地進(jìn)行日益復雜的傳感器軟件更新，以及故障和網(wǎng)絡(luò )診斷（如傳感器線(xiàn)路短路）。由于10BASE-T1L不再需要使用網(wǎng)關(guān)和變換器，配置也更簡(jiǎn)單。通過(guò)消除網(wǎng)關(guān)，可大大降低這些舊設備的成本和復雜性，并且可以清除這些設備產(chǎn)生的數據孤島。 此外，還可以通過(guò)數據線(xiàn)路傳輸更大功率。例如：在本質(zhì)安全區域（危險區域）可傳輸500 mW功率，在非本質(zhì)安全區域甚至可傳輸高達60 W功率。 以太網(wǎng)標準（如PROFINET、EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA或Modbus-TCP）和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（如MQTT）可實(shí)現現場(chǎng)設備至云端的簡(jiǎn)單而強大的連接。 10BASE-T1L是否能夠與交換模塊一起使用？ 與標準以太網(wǎng)一樣，使用10BASE-T1L時(shí)，會(huì )有支持各種網(wǎng)段和設備耦合的網(wǎng)橋�？蓪�(shí)現不同的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，并用于向連接的設備供電。在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，交換機通常連接至控制器、HMI和云端。交換機允許環(huán)形拓撲結構形式的介質(zhì)冗余，以提高可用性。 在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，與設備、傳感器和執行器的連接亦稱(chēng)為支線(xiàn)，而交換機之間的連接以及至控制系統的連接則稱(chēng)為干線(xiàn)。 設備集成密度的不斷增加還可以實(shí)現其他可能性。例如：10BASE-T1L交換機可集成到傳感器中，而該傳感器可直接連接至亦由該交換機供電的其他傳感器。圖2顯示不同交換機的互連示例。
圖2.交換機互連示例圖 可通過(guò)主機處理器實(shí)現與支持10BASE-T1L的設備通信。通常需要集成式MAC功能、無(wú)源介質(zhì)轉換器或帶有10BASE-T1L端口的交換機。 表2過(guò)程自動(dòng)化中的不同通信技術(shù)概述
我可以通過(guò)“雙線(xiàn)”實(shí)現設備供電嗎？ 10BASE-T1L標準不僅提供傳感器和執行器的數據通信功能，而且還提供通過(guò)信號線(xiàn)路供電功能。具體來(lái)說(shuō)，10BASE-T1L可以在非本質(zhì)安全區域提供高達60 W的功率。在防爆（本質(zhì)安全）區域，功率限制為500 mW；在這種情況下，信號幅度也從標準應用的2.4 V減少到1 V，以符合適用于該區域的最大能量的嚴格要求。然而，在本質(zhì)安全區域，只能縮短傳輸距離。 表3概述了在不同線(xiàn)路長(cháng)度和區域，Type 18 AWG電纜可能的電力傳輸水平。 表3不同電纜長(cháng)度(Type 18 AWG)的電力傳輸水平概覽
結論 10BASE-T1L為過(guò)程自動(dòng)化提供了一個(gè)相對可靠的通信標準，與傳統的4 mA到20 mA應用相比具有許多優(yōu)勢，包括重復使用現有基礎設施的可能性。 作者簡(jiǎn)介 Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場(chǎng)應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。 Thomas Tzscheetzsch于2010年加入ADI公司，擔任高級現場(chǎng)應用工程師。2010年至2012年，他負責德國中部地區的客戶(hù)群。自2012年以來(lái)，他任職于關(guān)鍵客戶(hù)團隊，為關(guān)鍵客戶(hù)提供支持服務(wù)。2017年重組后，他開(kāi)始負責中歐國家IHC市場(chǎng)的FAE團隊，擔任FAE經(jīng)理。 在職業(yè)生涯的最初階段，他于1992年至1998年在一家機械制造公司任電子工程師，擔任部門(mén)負責人。在哥廷根應用科學(xué)大學(xué)完成電氣工程學(xué)習后，他任職于Max Planck研究院從事太陽(yáng)能系統研究工作，擔任硬件設計工程師。2004年至2010年，他任職于經(jīng)銷(xiāo)商的現場(chǎng)應用工程師，也就是在那里接觸到ADI公司的產(chǎn)品。聯(lián)系方式：thomas.tzscheetzsch@analog.com。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
