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新的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)有哪些變化?

發(fā)布時間:2022-02-25 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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。我們必須從運營技術(shù)(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。


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。我們必須從運營技術(shù)(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(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(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?!癇ASE”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(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1OSI模型及其協(xié)議和總線系統(tǒng)概覽


新的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)有哪些變化?


新的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)有哪些變化?

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)碾娫垂?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??煽康耐ㄐ偶夹g(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??蓪崿F(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),并用于向連接的設(shè)備供電。在過程自動化領(lǐng)域,交換機通常連接至控制器、HMI和云端。交換機允許環(huán)形拓撲結(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。


新的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)有哪些變化?

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(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。


表2過程自動化中的不同通信技術(shù)概述


新的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)有哪些變化?


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


新的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)有哪些變化?


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。

(來源:ADI,作者:Thomas Brand,ADI高級現(xiàn)場應(yīng)用工程師以|  Thomas Tzscheetzsch,ADI高級現(xiàn)場技術(shù)主管)


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