通過10BASE-T1L連接實(shí)現(xiàn)無縫現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)

10BASE-T1L是在2019年11月7日經(jīng)過IEEE認(rèn)證的新以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(yùn)營(yíng)效率，徹底變革過程自動(dòng)化行業(yè)。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制在過程自動(dòng)化中使用現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)區(qū)域）應(yīng)用。通過為棕地升級(jí)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(dá)至控制層及云端。這些新的見解將通過從現(xiàn)場(chǎng)到云的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，讓數(shù)據(jù)分析、運(yùn)營(yíng)見解和生產(chǎn)力提高成為可能。

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

要在過程自動(dòng)化應(yīng)用中用以太網(wǎng)替換4 mA至20 mA器件或現(xiàn)場(chǎng)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(shí)提供功率和數(shù)據(jù)。與更復(fù)雜的布線相比，單條雙絞線布線的優(yōu)點(diǎn)是成本更低，尺寸更小，安裝更方便。在過程自動(dòng)化應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(shù)的巨大挑戰(zhàn)。由于過程自動(dòng)化應(yīng)用需要長(zhǎng)達(dá)1 km的距離，并且需要適用于0區(qū)（本質(zhì)安全）應(yīng)用的低功率且可靠的現(xiàn)場(chǎng)器件，因此過程自動(dòng)化需要一種實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)物理層技術(shù)的新方法。而10BASE-T1L就是這個(gè)新方法。 

10BASE-T1L核心功能是全雙工、直流平衡、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(gè)幅度模式：長(zhǎng)達(dá)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(xiàng)新的物理層技術(shù)也可在防爆系統(tǒng)環(huán)境中使用，并符合嚴(yán)格的最大能源限制。它可通過雙絞線技術(shù)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的傳輸距離，且在單條雙絞線上同時(shí)傳輸功率和數(shù)據(jù)，屬于單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)介質(zhì)系列。 

10BASE-T1L支持為現(xiàn)場(chǎng)器件傳輸很高的功率；0區(qū)（本質(zhì)安全）應(yīng)用中高達(dá)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(yīng)用中，根據(jù)所用電纜的不同，功率可高達(dá)60 W。由于在網(wǎng)絡(luò)邊緣有更高的功率可用，因此可使能具有增強(qiáng)特性和功能的新現(xiàn)場(chǎng)器件，原因在于4 mA至20 mA器件的功率限制和現(xiàn)場(chǎng)總線不再適用。例如，現(xiàn)在通過額外的功率，可以測(cè)量更高的性能，增強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的邊緣處理。這將發(fā)掘有關(guān)過程變量的寶貴見解，過程變量現(xiàn)在可以通過在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)器件（現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)）上運(yùn)行的Web服務(wù)器訪問，最終推動(dòng)過程流和資產(chǎn)管理的改進(jìn)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(chǎng)器件的數(shù)據(jù)集傳輸至工廠級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施或云端進(jìn)行處理。而10BASE-T1L無需耗電量大的復(fù)雜網(wǎng)關(guān)，可跨信息技術(shù)(IT)和操作技術(shù)(OT)網(wǎng)絡(luò)使能融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。通過此融合網(wǎng)絡(luò)，可簡(jiǎn)化安裝和器件更換，加快網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和配置。最終將加快軟件更新，簡(jiǎn)化根本原因分析和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)器件維護(hù)。 

以太網(wǎng)解決方案的優(yōu)勢(shì)

通過融合以太網(wǎng)作為過程自動(dòng)化中跨企業(yè)、控制和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別的通信方法，不再需要耗電量大的復(fù)雜網(wǎng)關(guān)。這也實(shí)現(xiàn)了從極為分散的現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)設(shè)施的過渡，該基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)建了訪問現(xiàn)場(chǎng)級(jí)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(guān)，顯著降低了這些傳統(tǒng)設(shè)備的安裝成本和復(fù)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(dòng)化應(yīng)用一直使用表1中所示的傳統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)，而新的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)克服了它的多個(gè)局限性。過程自動(dòng)化中還存在一個(gè)知識(shí)庫挑戰(zhàn)。技術(shù)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(chǎng)總線通信系統(tǒng)的部署、調(diào)試和安裝維護(hù)方式的詳細(xì)知識(shí)。而大學(xué)畢業(yè)生對(duì)這些傳統(tǒng)技術(shù)不熟悉，但很熟悉基于以太網(wǎng)的技術(shù)，可快速部署基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)解決方案。 

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

以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的網(wǎng)關(guān)。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(qǐng)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(chǎng)器件連接到云的簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的方式。通過以太網(wǎng)，還可簡(jiǎn)單地以集中控制的方式將軟件更新至終端節(jié)點(diǎn)，從而加快網(wǎng)絡(luò)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(jī)處理器、無源介質(zhì)轉(zhuǎn)換器或具有10BASE-T1L端口的交換機(jī)。無需其他軟件、自定義TCP/IP堆棧和特殊驅(qū)動(dòng)程序（請(qǐng)參見圖3）。這就使10BASE-T1L器件具有明顯優(yōu)勢(shì)：

■   盡管連接10BASE-T1L需要介質(zhì)轉(zhuǎn)換器，但只轉(zhuǎn)換物理編碼，不轉(zhuǎn)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(jī)上配置。例如，目前的溫度傳感器有一個(gè)額外的接口（例如，USB接口），以便能夠配置轉(zhuǎn)換器。根據(jù)制造商的不同，調(diào)整選項(xiàng)超過100個(gè)。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(cuò)，4 mA至20 mA傳感器將需要在現(xiàn)場(chǎng)安裝后重新配置。通過10BASE-T1L連接的傳感器可通過網(wǎng)絡(luò)訪問，并可隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程更新。

■   4 mA至20 mA器件僅可傳輸一個(gè)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(yù)測(cè)性維護(hù)、配置和參數(shù)化。

圖3 采用10BASE-T1L PHY的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)器件連接

■   傳感器變得越來越復(fù)雜，軟件也更有可能更新?，F(xiàn)在，通過快速以太網(wǎng)連接，可在現(xiàn)實(shí)時(shí)間段內(nèi)隨時(shí)隨地做到這一點(diǎn)。

■   訪問高級(jí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)診斷工具簡(jiǎn)化根本原因分析。 

過程自動(dòng)化布線和網(wǎng)絡(luò)部署

在過程自動(dòng)化中，不像在機(jī)器制造或工廠自動(dòng)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(chǎng)開關(guān)之間的距離可長(zhǎng)達(dá)1000 m。過程自動(dòng)化使用A型現(xiàn)場(chǎng)總線電纜，因?yàn)樗壳耙呀?jīng)用于PROFIBUS PA和Foundation Fieldbus安裝。 

10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)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(dòng)化安裝的棕地升級(jí)創(chuàng)造巨大的機(jī)會(huì)。 

由于10BASE-T1L允許信號(hào)幅度電壓在長(zhǎng)達(dá)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(dá)500 mW功率的危險(xiǎn)區(qū)域的嚴(yán)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(luò)拓?fù)洌Q為干線和支線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。干線電纜可長(zhǎng)達(dá)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(zhǎng)達(dá)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(guān)位于控制級(jí)，提供以太網(wǎng)交換機(jī)功能，并向電纜供電（通過數(shù)據(jù)線）。場(chǎng)開關(guān)位于危險(xiǎn)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，由電纜供電。場(chǎng)開關(guān)提供將支線電纜上的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)器件連接到干線電纜的以太網(wǎng)交換機(jī)功能，并向現(xiàn)場(chǎng)級(jí)器件供電。在一條干線電纜上連接多個(gè)場(chǎng)開關(guān)，可讓更多的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)器件連接到網(wǎng)絡(luò)。 

場(chǎng)開關(guān)可通過環(huán)型拓?fù)溥B接以實(shí)現(xiàn)冗余。在邊緣，對(duì)于數(shù)據(jù)速率以前限制為不到30 kbps的大多數(shù)應(yīng)用，高達(dá)10 Mbps是一大進(jìn)步。由于以太網(wǎng)現(xiàn)在用于在現(xiàn)場(chǎng)連接終端節(jié)點(diǎn)器件，IT和OT已成功融合到無縫以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，從而能夠從世界上的任何地方對(duì)任何終端節(jié)點(diǎn)器件進(jìn)行IP尋址。

圖4 過程工業(yè)的10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?nbsp;

支持10BASE-T1L的以太網(wǎng)APL

以太網(wǎng)APL（高級(jí)物理層）指定向過程工業(yè)的傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用以太網(wǎng)通信的詳細(xì)信息，并將根據(jù)IEC發(fā)布。它基于10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，并指定用于危險(xiǎn)場(chǎng)所的實(shí)施和防爆方法。領(lǐng)先的過程自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化應(yīng)用中，是久經(jīng)考驗(yàn)的可靠解決方案，不會(huì)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(duì)軟件可配置I/O進(jìn)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(yuǎn)程I/O應(yīng)用中在任意時(shí)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(shí)進(jìn)行自定義，從而加速產(chǎn)品上市，減少設(shè)計(jì)資源需求，以及跨項(xiàng)目和客戶廣泛應(yīng)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(luò) 

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(yuǎn)程I/O為10 Mb以太網(wǎng)上行鏈路提供聚合點(diǎn)。

將采用10BASE-T1L技術(shù)在過程自動(dòng)化中實(shí)現(xiàn)無縫云端連接技術(shù)。10BASE-T1L消除了對(duì)網(wǎng)關(guān)和I/O的需求，并且實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)器件到控制級(jí)別最終到云端的以太網(wǎng)連接。解鎖現(xiàn)場(chǎng)器件將生成豐富的數(shù)據(jù)集用于先進(jìn)數(shù)據(jù)分析。 

10BASE-T1L在過程自動(dòng)化以外的應(yīng)用

10BASE-T1L正在樓宇自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化、能源供應(yīng)、監(jiān)控、自來水及污水處理自動(dòng)化，以及最終在電梯領(lǐng)域產(chǎn)生強(qiáng)大的吸引力。所有這些應(yīng)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(guān)），以及在單條雙絞線上同時(shí)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(shù)。應(yīng)用示例包括樓宇自動(dòng)化中使用的RS-485和工廠自動(dòng)化中使用的I/O鏈路。 

10BASE-T1L器件創(chuàng)建可行見解以推動(dòng)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(shí)現(xiàn)向現(xiàn)場(chǎng)到云連接的過程自動(dòng)化安裝的過渡，包括食品和飲料、制藥、石油和天然氣安裝設(shè)施的危險(xiǎn)場(chǎng)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(shì)。借助10BASE-T1L，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別轉(zhuǎn)移到控制級(jí)別，最終到達(dá)云端，且無需網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0統(tǒng)一IT/OT網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)。由于有更大的功率可用，可使能具有增強(qiáng)特性和功能的新型現(xiàn)場(chǎng)器件。各現(xiàn)場(chǎng)級(jí)器件的透明IP可尋址性將極大地簡(jiǎn)化10BASE-T1L連接儀器儀表的安裝、配置和維護(hù)。10BASE-T1L將實(shí)現(xiàn)新的現(xiàn)場(chǎng)器件、豐富的云計(jì)算數(shù)據(jù)集和高級(jí)數(shù)據(jù)分析。工廠運(yùn)營(yíng)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(fù)雜的過程自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)施。 

表2 現(xiàn)有通信標(biāo)準(zhǔn)和10BASE-T1L的比較

關(guān)于作者

Maurice O’ Brien是ADI公司工業(yè)連接部門的戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理。他負(fù)責(zé)為工業(yè)應(yīng)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(yīng)用和營(yíng)銷領(lǐng)域工作了15年。他畢業(yè)于愛爾蘭利默里克大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。

Volker E. Goller是ADI公司的一名系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他擁有30多年的豐富經(jīng)驗(yàn)，廣泛涉獵復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制、嵌入式傳感器、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等工業(yè)應(yīng)用。作為一名商用軟件開發(fā)人員，Volker為無線和有線應(yīng)用開發(fā)了各種通信協(xié)議和堆棧，同時(shí)積極參與領(lǐng)先的行業(yè)組織的新通信標(biāo)準(zhǔn)制定。

（本文來源于《EEPW》2024.4）