摘要

我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面,，都離不開各種設備之間的數(shù)據(jù)通信,。數(shù)字化和工業(yè)4.0帶來的設備激增和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡,，以支持工廠范圍內(nèi)的連接需求,。我們必須從運營技術(OT)機器中提取并處理數(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系統(tǒng)(IT)進行進一步處理,。由于之前的4 mA至20 mA或現(xiàn)場總線應用在數(shù)據(jù)通信方面遇到了瓶頸,，以太網(wǎng)開始成為通信標準,。首先是新的以太網(wǎng)標準10BASE-T1L，一種2線以太網(wǎng)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(xié)議,。利用這個標準,，我們可以繼續(xù)使用現(xiàn)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(chǎn)品。通過數(shù)據(jù)線實現(xiàn)各種互連設備的電力傳輸在10BASE-T1L中也發(fā)揮著至關重要的作用,。

簡介

數(shù)據(jù)通信不僅在工業(yè)領域,，在過程自動化領域也發(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)開始成為通信標準,。標準的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,，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(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(zhí)行器通常與控制系統(tǒng)或遠程I/O系統(tǒng)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(yōu)勢，它為什么會成為新標準,？

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(xiàn)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(wǎng)技術僅在開放系統(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)標準IEEE 802.3定義,，在數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）中實現(xiàn),。PHY構成物理接口,，并負責傳輸介質(zhì)和數(shù)字系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的編碼和解碼,。

10BASE-T1L可與哪些設備和機器一起使用？現(xiàn)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(shù)）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(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(wǎng)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(shù)字和模擬的輸入或輸出,。

在某些情況下，需要通過10BASE-T1L為設備供電以及傳輸設備數(shù)據(jù),，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(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1OSI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(huán)境（危險區(qū)域）,，并滿足防爆環(huán)境嚴格的最大能耗要求,。

根據(jù)行業(yè)聯(lián)盟的規(guī)定，高級物理層(APL)基于10BASE-T1L標準構建,，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)碾娫垂燃墶?br/>

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1000 m的電纜與一對平衡導體一起使用，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?？煽康耐ㄐ偶夹g,，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，還可以傳輸其他設備參數(shù),，如配置和參數(shù)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(wǎng)絡診斷（如傳感器線路短路）,。由于10BASE-T1L不再需要使用網(wǎng)關和變換器，配置也更簡單,。通過消除網(wǎng)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(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）可實現(xiàn)現(xiàn)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(wǎng)一樣,，使用10BASE-T1L時，會有支持各種網(wǎng)段和設備耦合的網(wǎng)橋,?？蓪崿F(xiàn)不同的網(wǎng)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(huán)形拓撲結構形式的介質(zhì)冗余,，以提高可用性,。

在過程自動化領域,，與設備,、傳感器和執(zhí)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(tǒng)的連接則稱為干線,。

設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(xiàn)與支持10BASE-T1L的設備通信。通常需要集成式MAC功能,、無源介質(zhì)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(xiàn)設備供電嗎？

10BASE-T1L標準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,，信號幅度也從標準應用的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(tǒng)的4 mA到20 mA應用相比具有許多優(yōu)勢,，包括重復使用現(xiàn)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(yè)后,，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年,，他成為一名現(xiàn)場應用工程師,。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)領域,。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學電氣工程專業(yè),，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(xiàn)場應用工程師,。2010年至2012年,，他負責德國中部地區(qū)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(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(tǒng)研究工作,，擔任硬件設計工程師。2004年至2010年,，他任職于經(jīng)銷商的現(xiàn)場應用工程師,，也就是在那里接觸到ADI公司的產(chǎn)品。