通過10BASE-T1L連接實現(xiàn)無縫現(xiàn)場以太網(wǎng)

10BASE-T1L是在2019年11月7日經(jīng)過IEEE認證的新以太網(wǎng)物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過與現(xiàn)場級器件（傳感器和執(zhí)行器）的無縫以太網(wǎng)連接顯著提高工廠運營效率，徹底變革過程自動化行業(yè)。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制在過程自動化中使用現(xiàn)場以太網(wǎng)的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括功率、帶寬、布線、距離、數(shù)據(jù)島以及本質(zhì)安全0區(qū)（危險區(qū)域）應用。通過為棕地升級和新綠地安裝解決這些挑戰(zhàn)，10BASE-T1L將有助于獲得以前無法獲取的新見解，如組合過程變量、二次參數(shù)、資產(chǎn)健康反饋，并將它們無縫傳達至控制層及云端。這些新的見解將通過從現(xiàn)場到云的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡，讓數(shù)據(jù)分析、運營見解和生產(chǎn)力提高成為可能。

圖1 與過程自動化現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的無縫以太網(wǎng)連接 

要在過程自動化應用中用以太網(wǎng)替換4 mA至20 mA器件或現(xiàn)場總線通信（Foundation Fieldbus或PROFIBUS? Pa），需要通過單條屏蔽雙絞線向傳感器或執(zhí)行器同時提供功率和數(shù)據(jù)。與更復雜的布線相比，單條雙絞線布線的優(yōu)點是成本更低，尺寸更小，安裝更方便。在過程自動化應用中，現(xiàn)場級器件之間的距離一直是限制在100 m內(nèi)的現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)物理層技術的巨大挑戰(zhàn)。由于過程自動化應用需要長達1 km的距離，并且需要適用于0區(qū)（本質(zhì)安全）應用的低功率且可靠的現(xiàn)場器件，因此過程自動化需要一種實現(xiàn)以太網(wǎng)物理層技術的新方法。而10BASE-T1L就是這個新方法。 

10BASE-T1L核心功能是全雙工、直流平衡、點對點通信方案，且在7.5 MBd碼元速率和4B3T編碼下采用PAM 3調(diào)制。它支持兩個幅度模式：長達1000 m電纜的2.4 V峰峰值和更短距離下的1.0 V峰峰值。1.0 V峰峰值幅度模式是指，這項新的物理層技術也可在防爆系統(tǒng)環(huán)境中使用，并符合嚴格的最大能源限制。它可通過雙絞線技術實現(xiàn)較長的傳輸距離，且在單條雙絞線上同時傳輸功率和數(shù)據(jù)，屬于單對以太網(wǎng)(SPE)介質(zhì)系列。 

10BASE-T1L支持為現(xiàn)場器件傳輸很高的功率；0區(qū)（本質(zhì)安全）應用中高達500 mW。與此相比，使用4 mA至20 mA器件約為36 mW。在非本質(zhì)安全應用中，根據(jù)所用電纜的不同，功率可高達60 W。由于在網(wǎng)絡邊緣有更高的功率可用，因此可使能具有增強特性和功能的新現(xiàn)場器件，原因在于4 mA至20 mA器件的功率限制和現(xiàn)場總線不再適用。例如，現(xiàn)在通過額外的功率，可以測量更高的性能，增強對數(shù)據(jù)的邊緣處理。這將發(fā)掘有關過程變量的寶貴見解，過程變量現(xiàn)在可以通過在現(xiàn)場級器件（現(xiàn)場資產(chǎn)）上運行的Web服務器訪問，最終推動過程流和資產(chǎn)管理的改進和優(yōu)化。 

要利用包含這些寶貴新見解的豐富數(shù)據(jù)集，需要更高帶寬的通信鏈路，將跨過程安裝的現(xiàn)場器件的數(shù)據(jù)集傳輸至工廠級基礎設施或云端進行處理。而10BASE-T1L無需耗電量大的復雜網(wǎng)關，可跨信息技術(IT)和操作技術(OT)網(wǎng)絡使能融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡。通過此融合網(wǎng)絡，可簡化安裝和器件更換，加快網(wǎng)絡調(diào)試和配置。最終將加快軟件更新，簡化根本原因分析和現(xiàn)場級器件維護。 

以太網(wǎng)解決方案的優(yōu)勢

通過融合以太網(wǎng)作為過程自動化中跨企業(yè)、控制和現(xiàn)場級別的通信方法，不再需要耗電量大的復雜網(wǎng)關。這也實現(xiàn)了從極為分散的現(xiàn)場總線基礎設施的過渡，該基礎設施創(chuàng)建了訪問現(xiàn)場級器件內(nèi)部數(shù)據(jù)受限的數(shù)據(jù)島。通過移除這些網(wǎng)關，顯著降低了這些傳統(tǒng)設備的安裝成本和復雜性，并消除了其所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)島。

迄今為止，過程自動化應用一直使用表1中所示的傳統(tǒng)通信標準，而新的10BASE-T1L標準克服了它的多個局限性。過程自動化中還存在一個知識庫挑戰(zhàn)。技術人員和工程師退休后，帶走了具有HART^?的4 mA至20 mA器件或現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)的部署、調(diào)試和安裝維護方式的詳細知識。而大學畢業(yè)生對這些傳統(tǒng)技術不熟悉，但很熟悉基于以太網(wǎng)的技術，可快速部署基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡解決方案。 

表1 具有HART的4 mA至20 mA器件、現(xiàn)場總線和10BASE-T1L的比較情況

以太網(wǎng)標準可確保采用10BASE-T1L的所有較高協(xié)議層的工作方式完全與10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T相同，因此無需使用復雜的網(wǎng)關。在IEEE 802.3中，為以太網(wǎng)：10BASE-T1L定義了ISO 7層模型中的所有物理層（請參見圖2）。這意味著，器件現(xiàn)在可以使用PROFINET^?、EtherNetTM/IP、HART/IP、OPC UATM或MODBUS^?/TCP并支持MQTT等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，這提供了一種將現(xiàn)場器件連接到云的簡單而強大的方式。通過以太網(wǎng)，還可簡單地以集中控制的方式將軟件更新至終端節(jié)點，從而加快網(wǎng)絡調(diào)試。 

圖2 ISO 7層模型中的10BASE-T1L 

要與支持10BASE-T1L的器件通信，需要具有集成介質(zhì)訪問控制(MAC)的主機處理器、無源介質(zhì)轉換器或具有10BASE-T1L端口的交換機。無需其他軟件、自定義TCP/IP堆棧和特殊驅(qū)動程序（請參見圖3）。這就使10BASE-T1L器件具有明顯優(yōu)勢：

■   盡管連接10BASE-T1L需要介質(zhì)轉換器，但只轉換物理編碼，不轉換以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。從軟件和通信協(xié)議角度來看，它是透明的。

■   通過以太網(wǎng)連接，無論傳感器在桌面上還是部署在制造工廠，均可在筆記本電腦或手機上配置。例如，目前的溫度傳感器有一個額外的接口（例如，USB接口），以便能夠配置轉換器。根據(jù)制造商的不同，調(diào)整選項超過100個。這些參數(shù)目前無法通過4 mA至20 mA器件訪問。HART允許訪問，但通常太昂貴。因此，如果在桌面安裝過程中出錯，4 mA至20 mA傳感器將需要在現(xiàn)場安裝后重新配置。通過10BASE-T1L連接的傳感器可通過網(wǎng)絡訪問，并可隨時隨地遠程更新。

■   4 mA至20 mA器件僅可傳輸一個過程值。通過以太網(wǎng)，不僅能夠直接訪問過程值，而且能夠直接訪問所有器件參數(shù)，如資產(chǎn)管理、生命周期管理、預測性維護、配置和參數(shù)化。

圖3 采用10BASE-T1L PHY的現(xiàn)場級器件連接

■   傳感器變得越來越復雜，軟件也更有可能更新。現(xiàn)在，通過快速以太網(wǎng)連接，可在現(xiàn)實時間段內(nèi)隨時隨地做到這一點。

■   訪問高級以太網(wǎng)網(wǎng)絡診斷工具簡化根本原因分析。 

過程自動化布線和網(wǎng)絡部署

在過程自動化中，不像在機器制造或工廠自動化中，這些傳感器和執(zhí)行器（流量、電平、壓力和溫度）不靠近控制器。傳感器和I/O之間的距離為200 m并不少見，而從那里到場開關之間的距離可長達1000 m。過程自動化使用A型現(xiàn)場總線電纜，因為它目前已經(jīng)用于PROFIBUS PA和Foundation Fieldbus安裝。 

10BASE-T1L標準不定義特定傳輸介質(zhì)（電纜）；而定義通道模型（回波損耗和插入損耗要求）。10BASE-T1L通道模型很適合現(xiàn)場總線A型電纜，因此一些已安裝的4 mA至20 mA電纜可與10BASE-T1L一起重用，從而為過程自動化安裝的棕地升級創(chuàng)造巨大的機會。 

由于10BASE-T1L允許信號幅度電壓在長達約200 m的線路上降低到1 V，因此10BASE-T1L可用于防爆系統(tǒng)環(huán)境中，并符合高達500 mW功率的危險區(qū)域的嚴格最大能源限制。 

由于與4 mA至20 mA相比功率顯著增加（500 mW相比~36 mW），如今因4 mA至20 mA的有限功率而需要外部電源的4線器件，現(xiàn)可被支持10BASE-T1L的2線器件替代，2線器件無需外部電源，因此提高了新器件安裝的靈活性。 

圖4顯示過程工業(yè)的建議網(wǎng)絡拓撲，稱為干線和支線網(wǎng)絡拓撲。干線電纜可長達1 km，其PHY峰峰值幅度為2.4 V，位于1區(qū)、2分區(qū)。支線電纜可長達200 m，其PHY峰峰值幅度為1.0 V，位于0區(qū)、1分區(qū)。電源開關位于控制級，提供以太網(wǎng)交換機功能，并向電纜供電（通過數(shù)據(jù)線）。場開關位于危險區(qū)域的現(xiàn)場級，由電纜供電。場開關提供將支線電纜上的現(xiàn)場級器件連接到干線電纜的以太網(wǎng)交換機功能，并向現(xiàn)場級器件供電。在一條干線電纜上連接多個場開關，可讓更多的現(xiàn)場級器件連接到網(wǎng)絡。 

場開關可通過環(huán)型拓撲連接以實現(xiàn)冗余。在邊緣，對于數(shù)據(jù)速率以前限制為不到30 kbps的大多數(shù)應用，高達10 Mbps是一大進步。由于以太網(wǎng)現(xiàn)在用于在現(xiàn)場連接終端節(jié)點器件，IT和OT已成功融合到無縫以太網(wǎng)網(wǎng)絡上，從而能夠從世界上的任何地方對任何終端節(jié)點器件進行IP尋址。

圖4 過程工業(yè)的10BASE-T1L網(wǎng)絡拓撲 

支持10BASE-T1L的以太網(wǎng)APL

以太網(wǎng)APL（高級物理層）指定向過程工業(yè)的傳感器和執(zhí)行器應用以太網(wǎng)通信的詳細信息，并將根據(jù)IEC發(fā)布。它基于10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標準，并指定用于危險場所的實施和防爆方法。領先的過程自動化公司正在PROFIBUS and PROFINET^? International (PI)、ODVA, Inc.和FieldComm Group?的管理下合作，使以太網(wǎng)APL能夠跨工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議使用，并加速其部署。 

過程自動化：向未來的無縫以太網(wǎng)連接過渡

與HART連接的4 mA至20 mA器件多年來一直成功部署在過程自動化應用中，是久經(jīng)考驗的可靠解決方案，不會在一夜之間消失。目前存在具有支持HART的儀器儀表的大型4 mA至20 mA客戶群，并且ADI公司將對軟件可配置I/O進行投資，通過允許在任意引腳上訪問任意工業(yè)I/O功能，且允許在遠程I/O應用中在任意時間配置通道，提高這些現(xiàn)有器件的安裝靈活性。這意味著可在安裝時進行自定義，從而加速產(chǎn)品上市，減少設計資源需求，以及跨項目和客戶廣泛應用通用產(chǎn)品。ADI公司提供的軟件可編程I/O電路示例包括AD74413和AD4110-1。

圖5 傳統(tǒng)分立布線將逐漸成為所有傳感器和執(zhí)行器的智能以太網(wǎng)網(wǎng)絡 

圖5顯示從傳統(tǒng)4 mA至20 mA連接的儀器儀表過渡到棕地以太網(wǎng)，其中支持10BASE-T1L的新儀器儀表將與傳統(tǒng)4 mA至20 mA儀器儀表共存。軟件可配置I/O將這些傳統(tǒng)儀器儀表連接到PLC，在這些傳統(tǒng)儀器儀表中，遠程I/O為10 Mb以太網(wǎng)上行鏈路提供聚合點。

將采用10BASE-T1L技術在過程自動化中實現(xiàn)無縫云端連接技術。10BASE-T1L消除了對網(wǎng)關和I/O的需求，并且實現(xiàn)了從現(xiàn)場器件到控制級別最終到云端的以太網(wǎng)連接。解鎖現(xiàn)場器件將生成豐富的數(shù)據(jù)集用于先進數(shù)據(jù)分析。 

10BASE-T1L在過程自動化以外的應用

10BASE-T1L正在樓宇自動化、工廠自動化、能源供應、監(jiān)控、自來水及污水處理自動化，以及最終在電梯領域產(chǎn)生強大的吸引力。所有這些應用都需要更高的帶寬、與傳感器的無縫以太網(wǎng)連接（無網(wǎng)關），以及在單條雙絞線上同時傳輸功率和數(shù)據(jù)。表2比較了10BASE-T1L和目前使用的現(xiàn)有有線技術。應用示例包括樓宇自動化中使用的RS-485和工廠自動化中使用的I/O鏈路。 

10BASE-T1L器件創(chuàng)建可行見解以推動過程優(yōu)化

在ADI公司的ChronousTM工業(yè)以太網(wǎng)解決方案系列中添加10BASE-T1L物理層產(chǎn)品后，ADI將實現(xiàn)向現(xiàn)場到云連接的過程自動化安裝的過渡，包括食品和飲料、制藥、石油和天然氣安裝設施的危險場所。新的10BASE-T1L物理層收發(fā)器將提供物理層接口，從而發(fā)揮以太網(wǎng)連接工廠的許多優(yōu)勢。借助10BASE-T1L，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從現(xiàn)場級別轉移到控制級別，最終到達云端，且無需網(wǎng)關，從而實現(xiàn)工業(yè)4.0統(tǒng)一IT/OT網(wǎng)絡的目標。由于有更大的功率可用，可使能具有增強特性和功能的新型現(xiàn)場器件。各現(xiàn)場級器件的透明IP可尋址性將極大地簡化10BASE-T1L連接儀器儀表的安裝、配置和維護。10BASE-T1L將實現(xiàn)新的現(xiàn)場器件、豐富的云計算數(shù)據(jù)集和高級數(shù)據(jù)分析。工廠運營效率將通過從其過程中獲得可行見解而提高，從而加速未來部署更復雜的過程自動化生產(chǎn)設施。 

表2 現(xiàn)有通信標準和10BASE-T1L的比較

關于作者

Maurice O’ Brien是ADI公司工業(yè)連接部門的戰(zhàn)略營銷經(jīng)理。他負責為工業(yè)應用提供工業(yè)以太網(wǎng)連接解決方案支持的策略。在此之前，Maurice在ADI公司的電源管理應用和營銷領域工作了15年。他畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學，獲電子工程學士學位。

Volker E. Goller是ADI公司的一名系統(tǒng)應用工程師。他擁有30多年的豐富經(jīng)驗，廣泛涉獵復雜運動控制、嵌入式傳感器、時間敏感網(wǎng)絡技術等工業(yè)應用。作為一名商用軟件開發(fā)人員，Volker為無線和有線應用開發(fā)了各種通信協(xié)議和堆棧，同時積極參與領先的行業(yè)組織的新通信標準制定。

（本文來源于《EEPW》2024.4）