摘要

我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面，都離不開各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。數(shù)字化和工業(yè)4.0帶來的設(shè)備激增和數(shù)據(jù)量的急劇增加正在改變通信領(lǐng)域。例如：過程自動化等領(lǐng)域需要使用集成網(wǎng)絡(luò)，以支持工廠范圍內(nèi)的連接需求。我們必須從運(yùn)營技術(shù)(OT)機(jī)器中提取并處理數(shù)據(jù)，然后將處理過的數(shù)據(jù)提供給公司層面的計算機(jī)系統(tǒng)(IT)進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于之前的4 mA至20 mA或現(xiàn)場總線應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信方面遇到了瓶頸，以太網(wǎng)開始成為通信標(biāo)準(zhǔn)。首先是新的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)10BASE-T1L，一種2線以太網(wǎng)解決方案，線路長達(dá)1000米，傳輸速度為10 Mbps，同時支持PROFINET、Ethernet/IP、OPC UA、Modbus-TCP等傳輸協(xié)議。利用這個標(biāo)準(zhǔn)，我們可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的2線布線，從而避免浪費(fèi)我們的投資。

本文介紹了10BASE-T1L的基礎(chǔ)知識，并展示了與選擇各種應(yīng)用適用連接器相關(guān)的產(chǎn)品。通過數(shù)據(jù)線實現(xiàn)各種互連設(shè)備的電力傳輸在10BASE-T1L中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

簡介

數(shù)據(jù)通信不僅在工業(yè)領(lǐng)域，在過程自動化領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越重要的作用。之前的4 mA至20 mA或現(xiàn)場總線應(yīng)用由于數(shù)據(jù)量的激增也開始遇到瓶頸，因此以太網(wǎng)開始成為通信標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的4線以太網(wǎng)解決方案已發(fā)展為2線解決方案，我們稱之為10BASE-T1L，該解決方案由單對雙絞線或單對以太網(wǎng)(SPE)組成。10BASE-T1L位于物理層之上，兼容現(xiàn)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(bǔ)充。

10BASE-T1L開始標(biāo)準(zhǔn)化，尤其是在過程自動化領(lǐng)域，并且有可能在該領(lǐng)域帶來翻天覆地的變化。目前，該領(lǐng)域的傳感器和執(zhí)行器通常都是通過4 mA至20 mA模擬接口或現(xiàn)場總線進(jìn)行連接。與機(jī)械工程或工廠自動化不同，過程自動化的傳感器和執(zhí)行器通常與控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)有一定距離。常見的距離為200-1000米或更遠(yuǎn)。

但是10BASE-T1L到底是什么，這種技術(shù)具有什么優(yōu)勢，它為什么會成為新標(biāo)準(zhǔn)？

我們將在后續(xù)部分回答這些問題。

10BASE-T1L意味著什么？

10BASE-T1L這個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(IEEE)縮寫。

介質(zhì)類型中的“10”是指10 Mbps傳輸速率。“BASE”是指基帶信號，即只有以太網(wǎng)信號才能通過介質(zhì)傳輸。“T”代表“雙絞線”。數(shù)字“1”代表1 km范圍。在這種情況下，后面跟著的“L”代表“長距離”，意味著段長可能為1 km甚至更長。

此外，還存在其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如10BASE-2（最大段長為185 m的較細(xì)同軸電纜）、10BASE-5（最大段長為500 m的較粗同軸電纜）、10BASE-F（光纜）或10BASE-36（具有多個基帶通道，且最大段長為3600 m的寬帶同軸電纜）。

10BASE-T1L可分類至OSI模型的哪一層？

10BASE-T1L可使用現(xiàn)有的2線基礎(chǔ)設(shè)施，線路長度高達(dá)1000 m，傳輸速度為10 Mbps。物理以太網(wǎng)技術(shù)僅在開放系統(tǒng)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(tǒng)中常用的其他總線系統(tǒng)（如BACnet、KNX和LON）。表1為模型層及協(xié)議和總線系統(tǒng)概覽。

10BASE-T1L可利用第1層的特殊以太網(wǎng)PHY實現(xiàn)。以太網(wǎng)幀通過介質(zhì)無關(guān)接口(MII)、簡化MII (RMII)或簡化千兆MII (RGMII)在MAC和PHY之間傳輸。

MAC由以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3定義，在數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）中實現(xiàn)。PHY構(gòu)成物理接口，并負(fù)責(zé)傳輸介質(zhì)和數(shù)字系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的編碼和解碼。

10BASE-T1L可與哪些設(shè)備和機(jī)器一起使用？現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施可以在多大程度上與其一起使用？

10BASE-T1L設(shè)計用于在許多（如果不是大多數(shù)）過程自動化應(yīng)用中取代4 mA至20 mA標(biāo)準(zhǔn)化信號。然而，這并不意味著通過4 mA至20 mA電流環(huán)路連接的舊款現(xiàn)場儀表必須更換為支持10BASE-T1L的現(xiàn)場儀表。這些傳統(tǒng)設(shè)備可通過軟件可配置I/O (SWIO)模塊進(jìn)行連接，而遠(yuǎn)程I/O則用作通過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(yuǎn)程運(yùn)行，無需大量重新配線。通道可配置為電流和電壓的輸入或輸出，或數(shù)字和模擬的輸入或輸出。

在某些情況下，需要通過10BASE-T1L為設(shè)備供電以及傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)，這被定義為標(biāo)準(zhǔn)的一部分。圖1顯示了通過4 mA至20 mA電流環(huán)路連接的傳統(tǒng)現(xiàn)場儀表和支持10BASE-T1L的新型現(xiàn)場儀表的混合示例。

表1 OSI模型及其協(xié)議和總線系統(tǒng)概覽

圖1.采用傳統(tǒng)現(xiàn)場儀表和支持10BASE-T1L的現(xiàn)場儀表的架構(gòu)示例

10BASE-T1L支持兩種幅度模式：電纜長度不超過1000 m為2.4 V，電纜長度不超過200 m為1 V。通過采用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(qū)域），并滿足防爆環(huán)境嚴(yán)格的最大能耗要求。

根據(jù)行業(yè)聯(lián)盟的規(guī)定，高級物理層(APL)基于10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，同時定義了過程自動化的本質(zhì)安全操作。

同樣，Ethernet-APL支持向使用現(xiàn)場至云端連接的無縫過程自動化設(shè)備過渡，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(qū)域。此外，APL還定義了通過單條雙絞線線路傳輸?shù)?a href="http://www.xebio.com.cn/analog_power" target="_blank" class="keylink">電源供應(yīng)等級。

10BASE-T1L未定義具體的傳輸介質(zhì)（電纜）。只規(guī)定了電纜的回波損耗和插入損耗要求。現(xiàn)場總線Type A電纜為可選電纜。這允許重復(fù)使用現(xiàn)有的PROFIBUS或基金會現(xiàn)場總線布線。10BASE-T1L可通過長達(dá)1000 m的電纜與一對平衡導(dǎo)體一起使用，且不會出現(xiàn)任何問題。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是一項非常可靠的通信技術(shù)，即使是將電線混在一起使用也不會出現(xiàn)問題。

10BASE-T1L具有什么優(yōu)勢？

傳統(tǒng)4 mA至20 mA與HART^®和現(xiàn)場總線設(shè)備的數(shù)據(jù)帶寬有限，只有幾個kbps。利用10BASET1L，可實現(xiàn)10 Mbps的傳輸速度。這樣，不僅可以傳輸過程值，還可以傳輸其他設(shè)備參數(shù)，如配置和參數(shù)化信息。未來，可以相對快速地進(jìn)行日益復(fù)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，配置也更簡單。通過消除網(wǎng)關(guān)，可大大降低這些舊設(shè)備的成本和復(fù)雜性，并且可以清除這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)孤島。

此外，還可以通過數(shù)據(jù)線路傳輸更大功率。例如：在本質(zhì)安全區(qū)域（危險區(qū)域）可傳輸500 mW功率，在非本質(zhì)安全區(qū)域甚至可傳輸高達(dá)60 W功率。

以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（如PROFINET、EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA或Modbus-TCP）和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（如MQTT）可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備至云端的簡單而強(qiáng)大的連接。

10BASE-T1L是否能夠與交換模塊一起使用？

與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)一樣，使用10BASE-T1L時，會有支持各種網(wǎng)段和設(shè)備耦合的網(wǎng)橋。可實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并用于向連接的設(shè)備供電。在過程自動化領(lǐng)域，交換機(jī)通常連接至控制器、HMI和云端。交換機(jī)允許環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的介質(zhì)冗余，以提高可用性。

在過程自動化領(lǐng)域，與設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器的連接亦稱為支線，而交換機(jī)之間的連接以及至控制系統(tǒng)的連接則稱為干線。

設(shè)備集成密度的不斷增加還可以實現(xiàn)其他可能性。例如：10BASE-T1L交換機(jī)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(jī)供電的其他傳感器。圖2顯示不同交換機(jī)的互連示例。

圖2.交換機(jī)互連示例圖

可通過主機(jī)處理器實現(xiàn)與支持10BASE-T1L的設(shè)備通信。通常需要集成式MAC功能、無源介質(zhì)轉(zhuǎn)換器或帶有10BASE-T1L端口的交換機(jī)。

表2過程自動化中的不同通信技術(shù)概述

我可以通過“雙線”實現(xiàn)設(shè)備供電嗎？

10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)不僅提供傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)通信功能，而且還提供通過信號線路供電功能。具體來說，10BASE-T1L可以在非本質(zhì)安全區(qū)域提供高達(dá)60 W的功率。在防爆（本質(zhì)安全）區(qū)域，功率限制為500 mW；在這種情況下，信號幅度也從標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的2.4 V減少到1 V，以符合適用于該區(qū)域的最大能量的嚴(yán)格要求。然而，在本質(zhì)安全區(qū)域，只能縮短傳輸距離。

表3概述了在不同線路長度和區(qū)域，Type 18 AWG電纜可能的電力傳輸水平。

表3不同電纜長度(Type 18 AWG)的電力傳輸水平概覽

結(jié)論

10BASE-T1L為過程自動化提供了一個相對可靠的通信標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的4 mA到20 mA應(yīng)用相比具有許多優(yōu)勢，包括重復(fù)使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的可能性。

作者簡介

Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(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)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。

Thomas Tzscheetzsch于2010年加入ADI公司，擔(dān)任高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師。2010年至2012年，他負(fù)責(zé)德國中部地區(qū)的客戶群。自2012年以來，他任職于關(guān)鍵客戶團(tuán)隊，為關(guān)鍵客戶提供支持服務(wù)。2017年重組后，他開始負(fù)責(zé)中歐國家IHC市場的FAE團(tuán)隊，擔(dān)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(jī)械制造公司任電子工程師，擔(dān)任部門負(fù)責(zé)人。在哥廷根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)完成電氣工程學(xué)習(xí)后，他任職于Max Planck研究院從事太陽能系統(tǒng)研究工作，擔(dān)任硬件設(shè)計工程師。2004年至2010年，他任職于經(jīng)銷商的現(xiàn)場應(yīng)用工程師，也就是在那里接觸到ADI公司的產(chǎn)品。