【導讀】為了使所有這些獨立的設備能夠可靠地通信，工廠(chǎng)需要采用安全可靠的協(xié)議。在過(guò)去，通信依賴(lài)于包括HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profibus和CAN在內的多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的混合使用。這種碎片化意味著(zhù)需要昂貴的網(wǎng)關(guān)來(lái)連接不同的標準，而且維護變得既困難又昂貴。
簡(jiǎn)介
如今的工廠(chǎng)正在越來(lái)越多地采用智能技術(shù)，諸如機床、機器人、執行器和傳感器等設備都能生成、傳輸和接收數據。
為了使所有這些獨立的設備能夠可靠地通信，工廠(chǎng)需要采用安全可靠的協(xié)議。在過(guò)去，通信依賴(lài)于包括HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profibus和CAN在內的多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的混合使用。這種碎片化意味著(zhù)需要昂貴的網(wǎng)關(guān)來(lái)連接不同的標準，而且維護變得既困難又昂貴。
取而代之的是，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )正在迅速成為工廠(chǎng)車(chē)間的首選骨干網(wǎng)絡(luò )。在本文中，我們將探討為什么10BASE-T1S，作為一種單對以太網(wǎng)標準，成為了替代傳統以太網(wǎng)和硬連線(xiàn)解決方案用于工業(yè)自動(dòng)化的首選通信協(xié)議。
了解 10BASE-T1S 及其優(yōu)勢
10BASE-T1S 由 IEEE 規范 802.3cg 定義，是一種多點(diǎn)、無(wú)沖突的以太網(wǎng)標準。它在非屏蔽、雙絞線(xiàn)、單對以太網(wǎng)（SPE）線(xiàn)纜上運行，顧名思義，它的數據傳輸速率為 10 Mb/s，比許多傳統的工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )快得多。
10BASE-T1S 既可以在點(diǎn)對點(diǎn) (P2P) 配置中使用，也可以在多點(diǎn)拓撲結構中使用，這是與需要 P2P 連接的傳統以太網(wǎng)標準相比的主要優(yōu)勢。
多點(diǎn)配置意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )中兩臺設備之間的每條鏈路都不需要有自己專(zhuān)用的點(diǎn)對點(diǎn)連接。這降低了布線(xiàn)的復雜性、成本和重量，使 10BASE-T1S 能夠提供符合工業(yè)應用需求的安全可靠的數據傳輸。
圖 1 顯示了 10BASE-T1S 系統的多點(diǎn)拓撲結構，支持至少八個(gè)節點(diǎn)。節點(diǎn)可以在混合網(wǎng)段（Mixing Segment）上串聯(lián)連接，或者位于推薦最大長(cháng)度不超過(guò)10厘米的分支末端。
圖 1：10Base-T1S 多點(diǎn)傳輸、混合網(wǎng)段拓撲結構
對于智能工廠(chǎng)而言，采用 10BASE-T1S 可提高互操作性，實(shí)現與現有系統的無(wú)縫集成，使其更易于部署。與點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )相比，由于具備在不發(fā)送數據時(shí)關(guān)閉PHY（物理層）發(fā)射器等多重技術(shù)特性，10BASE-T1S能夠降低功耗。
雖然 IEEE 802.3cg 規范未定義多點(diǎn)網(wǎng)段的數據線(xiàn)供電（PoDL），但可以通過(guò)同一根電纜傳輸直流電和以太網(wǎng)數據。這種 “工程 PoDL ”是一種無(wú)需任何協(xié)商協(xié)議即可為多點(diǎn) 10BASE-T1S 網(wǎng)段提供數據線(xiàn)供電的系統。 10BASE-T1S 多點(diǎn) “工程 PoDL ”目前已經(jīng)可以使用，IEEE802.3da標準即將正式確定10BASE-T1S多點(diǎn)PoDL，并預計將在2024年底或2025年第一季度獲得批準。
工業(yè) 5.0 的連接性
工廠(chǎng)中的傳感器、執行器和其他聯(lián)網(wǎng)設備的數量已經(jīng)大幅增加，預計到 2030 年將超過(guò) 2 億臺（2020 年為 8170 萬(wàn)臺）。雖然其中一些設備將采用無(wú)線(xiàn)連接，但對有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的強健性仍有大量需求，特別是隨著(zhù)人工智能（AI）越來(lái)越多地應用于智能工廠(chǎng)邊緣設備。
如前所述，10BASE-T1S 以太網(wǎng)的出現正在快速取代智能工廠(chǎng)中的傳統現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，為工業(yè) 4.0 提供可靠的有線(xiàn)通信。10BASE-T1S 可將各種系統無(wú)縫集成到一個(gè)統一的網(wǎng)絡(luò )中，從而無(wú)需使用笨重的網(wǎng)關(guān)。
10BASE-T1S 的布線(xiàn)要求降低，有助于實(shí)現更輕便、更靈活的網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)還能降低成本。展望工業(yè) 4.0，10BASE-T1S 將成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域未來(lái)的有線(xiàn)連接標準之一，為工業(yè) 5.0 奠定基礎。
在一個(gè)例子中，安森美（onsemi）的一位客戶(hù)在其智能工廠(chǎng)中從機電設備轉向聯(lián)網(wǎng)的電子版本，由于采用了10BASE-T1S技術(shù)，極大地降低了布線(xiàn)的復雜性，并減少了所需的部署時(shí)間。與點(diǎn)對點(diǎn)（P2P）非以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )相比，10BASE-T1S的多點(diǎn)拓撲結構是實(shí)現這一簡(jiǎn)化的重要因素。
10BASE-T1S 系統所需的布線(xiàn)更少，因此可以減少所需的機柜空間，節省寶貴的地面空間。由于不需要識別、添加或移除分散的電線(xiàn)，因此維修也更容易。
安森美助力 10BASE-T1S 技術(shù)
安森美10BASE-T1S 以太網(wǎng)控制器系列憑借可靠性和優(yōu)異性能滿(mǎn)足了苛刻工業(yè)環(huán)境中的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )需求。
NCN26010 是一款符合 IEEE 802.3cg 標準的以太網(wǎng)收發(fā)器。它包括一個(gè)媒體接入控制器（MAC）、一個(gè)物理層沖突避免（PLCA）調節子層（RS）和一個(gè)專(zhuān)為工業(yè)多點(diǎn)以太網(wǎng)設計的 10BASE-T1S 物理層（PHY）。它提供通過(guò)單根非屏蔽雙絞線(xiàn)收發(fā)數據所需的所有物理層功能。
NCN26000還提供通過(guò)單根非屏蔽雙絞線(xiàn)收發(fā)數據所需的物理層功能，并通過(guò)標準的媒體獨立接口（MII）與現有的半雙工10 Mb/s以太網(wǎng)MAC控制器通信。這意味著(zhù)它支持與現有基礎設施和更復雜的設備（基于 FPGA 或 SoC）一起使用，從而使 10BASE-T1S 設備與中低復雜度的 FPGA 協(xié)同工作。
NCN26010和NCN26000最多可減少71%的物理布線(xiàn)，同時(shí)增加帶寬。與傳統的硬連線(xiàn)解決方案相比，它們能夠顯著(zhù)減少布線(xiàn)時(shí)間，并提供增強的數據報告能力和整體效率的提升。它們緊湊的外形尺寸允許在機箱內靈活安裝，優(yōu)化了空間利用。
總體而言，這些器件提高了工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的可靠性、可擴展性和多功能性。圖 2 所示的兩個(gè)選項凸顯了 10BASE-T1S 控制器架構的靈活性和可擴展性。
圖 2：三個(gè) 10BASE-T1S 控制器，MAC+PHY 和僅 PHY
帶有 MAC、PHY 和 PLCA 的 NCN26010 只需要一個(gè) 5 引腳 SPI 連接到配套的 MCU。雖然 IEEE 802.3cg 規范只規定支持多達 8 個(gè)節點(diǎn)和 25 米的范圍，但實(shí)驗室實(shí)驗證明 安森美的控制器可以支持超過(guò)這一要求兩倍的范圍。通過(guò)使用安森美專(zhuān)有的增強抗噪（ENI）功能，NCN26010 在支持 16 個(gè)節點(diǎn)的情況下，傳輸距離可達 50 米；在支持 6 個(gè)節點(diǎn)的情況下，傳輸距離可達 60 米。通過(guò)精心選擇線(xiàn)纜和連接器，可以實(shí)現更長(cháng)的距離和/或更多的節點(diǎn)。
結語(yǔ)
在當今的智能工廠(chǎng)中，10BASE-T1S 提供了一個(gè)強健、高效的網(wǎng)絡(luò )標準，可以取代分散的傳統網(wǎng)絡(luò )，從而重新定義了連接性。
在安森美 NCN26010 MAC/PHY 和 NCN26000 PHY 器件中實(shí)現的先進(jìn)技術(shù)，可以輕松支持工業(yè) 4.0 的連接需求，并確立了一條向工業(yè) 5.0 及未來(lái)的工業(yè)發(fā)展邁進(jìn)的路線(xiàn)圖。
（作者：Arndt Schübel產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師，模擬與混合信號事業(yè)部 (AMG) ，安森美）
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