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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。
         

        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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