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新的10BASE-T1L標準有哪些變化？

2022-02-28 14:36:04 來源：ADI公司 Thomas Brand，Thomas Tzscheetzsch

摘要

我們日常生活的許多方面，都離不開各種設備之間的數據通信。數字化和工業4.0帶來的設備激增和數據量的急劇增加正在改變通信領域。   例如：過程自動化等領域需要使用集成網絡，以支持工廠范圍內的連接需求。我們必須從運營技術(OT)機器中提取并處理數據，然后將處理過的數據提供給公司層面的計算機系統(IT)進行進一步處理。由于之前的4 mA至20 mA或現場總線應用在數據通信方面遇到了瓶頸，以太網開始成為通信標準。首先是新的以太網標準10BASE-T1L，一種2線以太網解決方案，線路長達1000米，傳輸速度為10 Mbps，同時支持PROFINET、Ethernet/IP、OPC UA、Modbus-TCP等傳輸協議。利用這個標準，我們可以繼續使用現有的2線布線，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的產品。通過數據線實現各種互連設備的電力傳輸在10BASE-T1L中也發揮著至關重要的作用。

 

簡介

 
數據通信不僅在工業領域，在過程自動化領域也發揮著越來越重要的作用。之前的4 mA至20 mA或現場總線應用由于數據量的激增也開始遇到瓶頸，因此以太網開始成為通信標準。標準的4線以太網解決方案已發展為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(SPE)組成。10BASE-T1L位于物理層之上，兼容現有的100 Mbps或1000 Mbps工業以太網技術，因此可作為一種補充。
 
10BASE-T1L開始標準化，尤其是在過程自動化領域，并且有可能在該領域帶來翻天覆地的變化。目前，該領域的傳感器和執行器通常都是通過4 mA至20 mA模擬接口或現場總線進行連接。與機械工程或工廠自動化不同，過程自動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。常見的距離為200-1000米或更遠。
 
但是10BASE-T1L到底是什么，這種技術具有什么優勢，它為什么會成為新標準？
 
我們將在后續部分回答這些問題。

 

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會(IEEE)縮寫。
 
介質類型中的“10”是指10 Mbps傳輸速率。“BASE”是指基帶信號，即只有以太網信號才能通過介質傳輸。“T”代表“雙絞線”。數字“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，還存在其他網絡技術，如10BASE-2（最大段長為185 m的較細同軸電纜）、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可使用現有的2線基礎設施，線路長度高達1000 m，傳輸速度為10 Mbps。物理以太網技術僅在開放系統互連(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，支持常用以太網協議（如PROFINET、Modbus等）以及樓宇管理系統中常用的其他總線系統（如BACnet、KNX和LON）。表1為模型層及協議和總線系統概覽。
 
10BASE-T1L可利用第1層的特殊以太網PHY實現。以太網幀通過介質無關接口(MII)、簡化MII (RMII)或簡化千兆MII (RGMII)在MAC和PHY之間傳輸。
 
MAC由以太網標準IEEE 802.3定義，在數據鏈路層（第2層）中實現。PHY構成物理接口，并負責傳輸介質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）過程自動化應用中取代4 mA至20 mA標準化信號。然而，這并不意味著通過4 mA至20 mA電流環路連接的舊款現場儀表必須更換為支持10BASE-T1L的現場儀表。這些傳統設備可通過軟件可配置I/O (SWIO)模塊進行連接，而遠程I/O則用作通過10 Mbps以太網上行鏈路與PLC連接的采集點。
 
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，或數字和模擬的輸入或輸出。
 
在某些情況下，需要通過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4 mA至20 mA電流環路連接的傳統現場儀表和支持10BASE-T1L的新型現場儀表的混合示例。
 
表1 OSI模型及其協議和總線系統概覽
 
 

圖1.采用傳統現場儀表和支持10BASE-T1L的現場儀表的架構示例
 
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，該技術還可以用于防爆環境（危險區域），并滿足防爆環境嚴格的最大能耗要求。
 
根據行業聯盟的規定，高級物理層(APL)基于10BASE-T1L標準構建，同時定義了過程自動化的本質安全操作。
 
同樣，Ethernet-APL支持向使用現場至云端連接的無縫過程自動化設備過渡，包括食品和飲料、制藥以及石油和天然氣行業中存在潛在爆炸性氣體環境的區域。此外，APL還定義了通過單條雙絞線線路傳輸的電源供應等級。
 
10BASE-T1L未定義具體的傳輸介質（電纜）。只規定了電纜的回波損耗和插入損耗要求?，F場總線Type A電纜為可選電纜。這允許重復使用現有的PROFIBUS或基金會現場總線布線。10BASE-T1L可通過長達1000 m的電纜與一對平衡導體一起使用，且不會出現任何問題。然而，在嘈雜的工業環境中，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，可檢查電纜信號質量。因此，10BASE-T1L是一項非?？煽康耐ㄐ偶夹g，即使是將電線混在一起使用也不會出現問題。

 

10BASE-T1L具有什么優勢？

 
傳統4 mA至20 mA與HART®和現場總線設備的數據帶寬有限，只有幾個kbps。利用10BASET1L，可實現10 Mbps的傳輸速度。這樣，不僅可以傳輸過程值，還可以傳輸其他設備參數，如配置和參數化信息。未來，可以相對快速地進行日益復雜的傳感器軟件更新，以及故障和網絡診斷（如傳感器線路短路）。由于10BASE-T1L不再需要使用網關和變換器，配置也更簡單。通過消除網關，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生的數據孤島。
 
此外，還可以通過數據線路傳輸更大功率。例如：在本質安全區域（危險區域）可傳輸500 mW功率，在非本質安全區域甚至可傳輸高達60 W功率。
 
以太網標準（如PROFINET、EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA或Modbus-TCP）和物聯網協議（如MQTT）可實現現場設備至云端的簡單而強大的連接。

 

10BASE-T1L是否能夠與交換模塊一起使用？

 
與標準以太網一樣，使用10BASE-T1L時，會有支持各種網段和設備耦合的網橋?？蓪崿F不同的網絡拓撲結構，并用于向連接的設備供電。在過程自動化領域，交換機通常連接至控制器、HMI和云端。交換機允許環形拓撲結構形式的介質冗余，以提高可用性。
 
在過程自動化領域，與設備、傳感器和執行器的連接亦稱為支線，而交換機之間的連接以及至控制系統的連接則稱為干線。
 
設備集成密度的不斷增加還可以實現其他可能性。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
 
可通過主機處理器實現與支持10BASE-T1L的設備通信。通常需要集成式MAC功能、無源介質轉換器或帶有10BASE-T1L端口的交換機。
 
表2過程自動化中的不同通信技術概述

 


我可以通過“雙線”實現設備供電嗎？

 
10BASE-T1L標準不僅提供傳感器和執行器的數據通信功能，而且還提供通過信號線路供電功能。具體來說，10BASE-T1L可以在非本質安全區域提供高達60 W的功率。在防爆（本質安全）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，在本質安全區域，只能縮短傳輸距離。
 
表3概述了在不同線路長度和區域，Type 18 AWG電纜可能的電力傳輸水平。
 
表3不同電纜長度(Type 18 AWG)的電力傳輸水平概覽

 

 

結論

 
10BASE-T1L為過程自動化提供了一個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勢，包括重復使用現有基礎設施的可能性。

 

作者簡介

 
Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支持，并專注于工業以太網領域。他畢業于德國莫斯巴赫的聯合教育大學電氣工程專業，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。
 
 
Thomas Tzscheetzsch于2010年加入ADI公司，擔任高級現場應用工程師。2010年至2012年，他負責德國中部地區的客戶群。自2012年以來，他任職于關鍵客戶團隊，為關鍵客戶提供支持服務。2017年重組后，他開始負責中歐國家IHC市場的FAE團隊，擔任FAE經理。
 
在職業生涯的最初階段，他于1992年至1998年在一家機械制造公司任電子工程師，擔任部門負責人。在哥廷根應用科學大學完成電氣工程學習后，他任職于Max Planck研究院從事太陽能系統研究工作，擔任硬件設計工程師。2004年至2010年，他任職于經銷商的現場應用工程師，也就是在那里接觸到ADI公司的產品。
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