【導讀】10BASE-T1L是在2019年11月7日經(jīng)過(guò)IEEE認證的新以太網(wǎng)物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過(guò)與現場(chǎng)級器件（傳感器和執行器）的無(wú)縫以太網(wǎng)連接顯著(zhù)提高工廠(chǎng)運營(yíng)效率，徹底變革過(guò)程自動(dòng)化行業(yè)。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制在過(guò)程自動(dòng)化中使用現場(chǎng)以太網(wǎng)的挑戰。這些挑戰包括功率、帶寬、布線(xiàn)、距離、數據島以及本質(zhì)安全0區（危險區域）應用。通過(guò)為棕地升級和新綠地安裝解決這些挑戰，10BASE-T1L將有助于獲得以前無(wú)法獲取的新見(jiàn)解，如組合過(guò)程變量、二次參數、資產(chǎn)健康反饋，并將它們無(wú)縫傳達至控制層及云端。這些新的見(jiàn)解將通過(guò)從現場(chǎng)到云的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，讓數據分析、運營(yíng)見(jiàn)解和生產(chǎn)力提高成為可能。
10BASE-T1L是在2019年11月7日經(jīng)過(guò)IEEE認證的新以太網(wǎng)物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過(guò)與現場(chǎng)級器件（傳感器和執行器）的無(wú)縫以太網(wǎng)連接顯著(zhù)提高工廠(chǎng)運營(yíng)效率，徹底變革過(guò)程自動(dòng)化行業(yè)。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制在過(guò)程自動(dòng)化中使用現場(chǎng)以太網(wǎng)的挑戰。這些挑戰包括功率、帶寬、布線(xiàn)、距離、數據島以及本質(zhì)安全0區（危險區域）應用。通過(guò)為棕地升級和新綠地安裝解決這些挑戰，10BASE-T1L將有助于獲得以前無(wú)法獲取的新見(jiàn)解，如組合過(guò)程變量、二次參數、資產(chǎn)健康反饋，并將它們無(wú)縫傳達至控制層及云端。這些新的見(jiàn)解將通過(guò)從現場(chǎng)到云的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，讓數據分析、運營(yíng)見(jiàn)解和生產(chǎn)力提高成為可能。
圖1.與過(guò)程自動(dòng)化現場(chǎng)傳感器和執行器的無(wú)縫以太網(wǎng)連接。
要在過(guò)程自動(dòng)化應用中用以太網(wǎng)替換4 mA至20 mA器件或現場(chǎng)總線(xiàn)通信（Foundation Fieldbus或PROFIBUS? Pa），需要通過(guò)單條屏蔽雙絞線(xiàn)向傳感器或執行器同時(shí)提供功率和數據。與更復雜的布線(xiàn)相比，單條雙絞線(xiàn)布線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是成本更低，尺寸更小，安裝更方便。在過(guò)程自動(dòng)化應用中，現場(chǎng)級器件之間的距離一直是限制在100 m內的現有工業(yè)以太網(wǎng)物理層技術(shù)的巨大挑戰。由于過(guò)程自動(dòng)化應用需要長(cháng)達1 km的距離，并且需要適用于0區（本質(zhì)安全）應用的低功率且可靠的現場(chǎng)器件，因此過(guò)程自動(dòng)化需要一種實(shí)現以太網(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調制。它支持兩個(gè)幅度模式：長(cháng)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(shù)也可在防爆系統環(huán)境中使用，并符合嚴格的最大能源限制。它可通過(guò)雙絞線(xiàn)技術(shù)實(shí)現較長(cháng)的傳輸距離，且在單條雙絞線(xiàn)上同時(shí)傳輸功率和數據，屬于單對以太網(wǎng)(SPE)介質(zhì)系列。
10BASE-T1L支持為現場(chǎng)器件傳輸很高的功率；0區（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，根據所用電纜的不同，功率可高達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特性和功能的新現場(chǎng)器件，原因在于4 mA至20 mA器件的功率限制和現場(chǎng)總線(xiàn)不再適用。例如，現在通過(guò)額外的功率，可以測量更高的性能，增強對數據的邊緣處理。這將發(fā)掘有關(guān)過(guò)程變量的寶貴見(jiàn)解，過(guò)程變量現在可以通過(guò)在現場(chǎng)級器件（現場(chǎng)資產(chǎn)）上運行的Web服務(wù)器訪(fǎng)問(wèn)，最終推動(dòng)過(guò)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(jiàn)解的豐富數據集，需要更高帶寬的通信鏈路，將跨過(guò)程安裝的現場(chǎng)器件的數據集傳輸至工廠(chǎng)級基礎設施或云端進(jìn)行處理。而10BASE-T1L無(wú)需耗電量大的復雜網(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(guò)此融合網(wǎng)絡(luò )，可簡(jiǎn)化安裝和器件更換，加快網(wǎng)絡(luò )調試和配置。最終將加快軟件更新，簡(jiǎn)化根本原因分析和現場(chǎng)級器件維護。
以太網(wǎng)解決方案的優(yōu)勢
通過(guò)融合以太網(wǎng)作為過(guò)程自動(dòng)化中跨企業(yè)、控制和現場(chǎng)級別的通信方法，不再需要耗電量大的復雜網(wǎng)關(guān)。這也實(shí)現了從極為分散的現場(chǎng)總線(xiàn)基礎設施的過(guò)渡，該基礎設施創(chuàng )建了訪(fǎng)問(wèn)現場(chǎng)級器件內部數據受限的數據島。通過(guò)移除這些網(wǎng)關(guān)，顯著(zhù)降低了這些傳統設備的安裝成本和復雜性，并消除了其所創(chuàng )建的數據島。
迄今為止，過(guò)程自動(dòng)化應用一直使用表1中所示的傳統通信標準，而新的10BASE-T1L標準克服了它的多個(gè)局限性。過(guò)程自動(dòng)化中還存在一個(gè)知識庫挑戰。技術(shù)人員和工程師退休后，帶走了具有HART?的4 mA至20 mA器件或現場(chǎng)總線(xiàn)通信系統的部署、調試和安裝維護方式的詳細知識。而大學(xué)畢業(yè)生對這些傳統技術(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、現場(chǎng)總線(xiàn)和10BASE-T1L的比較情況
Comparison 比較 | 4 mA to 20 mA with HART 具有HART的4 mA至20 mA | Field Bus 現場(chǎng)總線(xiàn) | 10BASE-T1L 10BASE-T1L |
Data Bandwidth 數據帶寬 | 1.2 kbps 1.2 kbps | 31.25 kbps 31.25 kbps | 10 Mbps 10 Mbps |
Higher Level Ethernet Connectivity 更高級別的以太網(wǎng)連接 | Complex gateways 復雜 網(wǎng)關(guān) | Complex gateways 復雜 網(wǎng)關(guān) | No gateways, seamless connectivity 無(wú)網(wǎng)關(guān)、無(wú)縫連接 |
Power to Instrument 儀器功率 | <40 mW <40 mW | Limited power 有限 功率 | IS: 500 mWnon IS up to 60 W (cable dependent) IS：500 mW非IS，高達60 W（取決于電纜） |
Knowledge/ Expertise 知識/專(zhuān)業(yè)技術(shù) | Shrinking knowledge/expertise 對 知識/專(zhuān)業(yè)技術(shù)的要求減少 | Shrinking knowledge/ expertise 對知識/專(zhuān)業(yè)技術(shù)的要求減少 | Ethernet technology is 以太網(wǎng) 技術(shù) very familiar to all college graduates 對所有大學(xué)畢業(yè)生來(lái)說(shuō)都很熟悉 |
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(wú)需使用復雜的網(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（請參見(jiàn)圖2）。這意味著(zhù)，器件現在可以使用PROFINET?、EtherNetTM/IP、HART/IP、OPC UATM或MODBUS?/TCP并支持MQTT等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，這提供了一種將現場(chǎng)器件連接到云的簡(jiǎn)單而強大的方式。通過(guò)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點(diǎn)，從而加快網(wǎng)絡(luò )調試。
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(fǎng)問(wèn)控制(MAC)的主機處理器、無(wú)源介質(zhì)轉換器或具有10BASE-T1L端口的交換機。無(wú)需其他軟件、自定義TCP/IP堆棧和特殊驅動(dòng)程序（請參見(jiàn)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)數據包的內容。從軟件和通信協(xié)議角度來(lái)看，它是透明的。
通過(guò)以太網(wǎng)連接，無(wú)論傳感器在桌面上還是部署在制造工廠(chǎng)，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(gè)額外的接口（例如，USB接口），以便能夠配置轉換器。根據制造商的不同，調整選項超過(guò)100個(gè)。這些參數目前無(wú)法通過(guò)4 mA至20 mA器件訪(fǎng)問(wèn)。HART允許訪(fǎng)問(wèn)，但通常太昂貴。因此，如果在桌面安裝過(guò)程中出錯，4 mA至20 mA傳感器將需要在現場(chǎng)安裝后重新配置。通過(guò)10BASE-T1L連接的傳感器可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)，并可隨時(shí)隨地遠程更新。
4 mA至20 mA器件僅可傳輸一個(gè)過(guò)程值。通過(guò)以太網(wǎng)，不僅能夠直接訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程值，而且能夠直接訪(fǎng)問(wèn)所有器件參數，如資產(chǎn)管理、生命周期管理、預測性維護、配置和參數化。
圖3.采用10BASE-T1L PHY的現場(chǎng)級器件連接。
傳感器變得越來(lái)越復雜，軟件也更有可能更新?，F在，通過(guò)快速以太網(wǎng)連接，可在現實(shí)時(shí)間段內隨時(shí)隨地做到這一點(diǎn)。
訪(fǎng)問(wèn)高級以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )診斷工具簡(jiǎn)化根本原因分析。
過(guò)程自動(dòng)化布線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )部署
在過(guò)程自動(dòng)化中，不像在機器制造或工廠(chǎng)自動(dòng)化中，這些傳感器和執行器（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(jiàn)，而從那里到場(chǎng)開(kāi)關(guān)之間的距離可長(cháng)達1000 m。過(guò)程自動(dòng)化使用A型現場(chǎng)總線(xiàn)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通道模型很適合現場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)程自動(dòng)化安裝的棕地升級創(chuàng )造巨大的機會(huì )。
由于10BASE-T1L允許信號幅度電壓在長(cháng)達約200 m的線(xiàn)路上降低到1 V，因此10BASE-T1L可用于防爆系統環(huán)境中，并符合高達500 mW功率的危險區域的嚴格最大能源限制。
由于與4 mA至20 mA相比功率顯著(zhù)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(xiàn)器件，現可被支持10BASE-T1L的2線(xiàn)器件替代，2線(xiàn)器件無(wú)需外部電源，因此提高了新器件安裝的靈活性。
圖4顯示過(guò)程工業(yè)的建議網(wǎng)絡(luò )拓撲，稱(chēng)為干線(xiàn)和支線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲。干線(xiàn)電纜可長(cháng)達1 km，其PHY峰峰值幅度為2.4 V，位于1區、2分區。支線(xiàn)電纜可長(cháng)達200 m，其PHY峰峰值幅度為1.0 V，位于0區、1分區。電源開(kāi)關(guān)位于控制級，提供以太網(wǎng)交換機功能，并向電纜供電（通過(guò)數據線(xiàn)）。場(chǎng)開(kāi)關(guān)位于危險區域的現場(chǎng)級，由電纜供電。場(chǎng)開(kāi)關(guān)提供將支線(xiàn)電纜上的現場(chǎng)級器件連接到干線(xiàn)電纜的以太網(wǎng)交換機功能，并向現場(chǎng)級器件供電。在一條干線(xiàn)電纜上連接多個(gè)場(chǎng)開(kāi)關(guān)，可讓更多的現場(chǎng)級器件連接到網(wǎng)絡(luò )。
場(chǎng)開(kāi)關(guān)可通過(guò)環(huán)型拓撲連接以實(shí)現冗余。在邊緣，對于數據速率以前限制為不到30 kbps的大多數應用，高達10 Mbps是一大進(jìn)步。由于以太網(wǎng)現在用于在現場(chǎng)連接終端節點(diǎn)器件，IT和OT已成功融合到無(wú)縫以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )上，從而能夠從世界上的任何地方對任何終端節點(diǎn)器件進(jìn)行IP尋址。
圖4.過(guò)程工業(yè)的10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò )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(guò)程工業(yè)的傳感器和執行器應用以太網(wǎng)通信的詳細信息，并將根據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(chǎng)所的實(shí)施和防爆方法。領(lǐng)先的過(guò)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(guò)程自動(dòng)化：向未來(lái)的無(wú)縫以太網(wǎng)連接過(guò)渡
與HART連接的4 mA至20 mA器件多年來(lái)一直成功部署在過(guò)程自動(dòng)化應用中，是久經(jīng)考驗的可靠解決方案，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(hù)群，并且ADI公司將對軟件可配置I/O進(jìn)行投資，通過(guò)允許在任意引腳上訪(fǎng)問(wèn)任意工業(yè)I/O功能，且允許在遠程I/O應用中在任意時(shí)間配置通道，提高這些現有器件的安裝靈活性。這意味著(zhù)可在安裝時(shí)進(jìn)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(hù)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.傳統分立布線(xiàn)將逐漸成為所有傳感器和執行器的智能以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。
圖5顯示從傳統4 mA至20 mA連接的儀器儀表過(guò)渡到棕地以太網(wǎng)，其中支持10BASE-T1L的新儀器儀表將與傳統4 mA至20 mA儀器儀表共存。軟件可配置I/O將這些傳統儀器儀表連接到PLC，在這些傳統儀器儀表中，遠程I/O為10 Mb以太網(wǎng)上行鏈路提供聚合點(diǎn)。
將采用10BASE-T1L技術(shù)在過(guò)程自動(dòng)化中實(shí)現無(wú)縫云端連接技術(shù)。10BASE-T1L消除了對網(wǎng)關(guān)和I/O的需求，并且實(shí)現了從現場(chǎng)器件到控制級別最終到云端的以太網(wǎng)連接。解鎖現場(chǎng)器件將生成豐富的數據集用于先進(jìn)數據分析。
10BASE-T1L在過(guò)程自動(dòng)化以外的應用
10BASE-T1L正在樓宇自動(dòng)化、工廠(chǎng)自動(dòng)化、能源供應、監控、自來(lái)水及污水處理自動(dòng)化，以及最終在電梯領(lǐng)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(wú)縫以太網(wǎng)連接（無(wú)網(wǎng)關(guān)），以及在單條雙絞線(xiàn)上同時(shí)傳輸功率和數據。表2比較了10BASE-T1L和目前使用的現有有線(xiàn)技術(shù)。應用示例包括樓宇自動(dòng)化中使用的RS-485和工廠(chǎng)自動(dòng)化中使用的I/O鏈路。
10BASE-T1L器件創(chuàng )建可行見(jiàn)解以推動(dòng)過(guò)程優(yōu)化
在A(yíng)DI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)現向現場(chǎng)到云連接的過(guò)程自動(dòng)化安裝的過(guò)渡，包括食品和飲料、制藥、石油和天然氣安裝設施的危險場(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(chǎng)的許多優(yōu)勢。借助10BASE-T1L，以太網(wǎng)數據包從現場(chǎng)級別轉移到控制級別，最終到達云端，且無(wú)需網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現工業(yè)4.0統一IT/OT網(wǎng)絡(luò )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場(chǎng)器件。各現場(chǎng)級器件的透明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。10BASE-T1L將實(shí)現新的現場(chǎng)器件、豐富的云計算數據集和高級數據分析。工廠(chǎng)運營(yíng)效率將通過(guò)從其過(guò)程中獲得可行見(jiàn)解而提高，從而加速未來(lái)部署更復雜的過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)設施。
表2.現有通信標準和10BASE-T1L的比較
Protocol 協(xié)議 | Packet Formats 包 格式 | Cable Length 電纜 長(cháng)度 | Bit Rate 位速率 | Power Supply via Data Cable 通過(guò) 數據線(xiàn)供電 | Connector 連接器 | Intrinsic Safe Use Case 本質(zhì)安全應用案例 |
PROFIBUS PA PROFIBUS PA | UART/PROFIBUS UART/PROFIBUS | 1200 m 1200 m | 31.25 kbps, bus, half duplex 31.25 kbps、總線(xiàn)、 半雙工 | Yes 是 | M12, terminal screw M12、端電極螺絲 | Yes 是 |
Modbus RTU and Other RS-485 Protocols Modbus RTU 和其他RS-485協(xié)議 | UART/Modbus UART/Modbus | 1200 m (up to approximately 185 kbps, at 375 kb 300 m, at 500 kb, 200 m) 1200 m （高達約 185 kbps，375 kb時(shí)， 300 m，500 kb時(shí)，200 m） | Typically 19.2 kbps, bus, half duplex 典型19.2 kbps、總線(xiàn)、半雙工 | No 否 | DB9, M12 DB9、M12 | N/A N/A |
I/O Link I/O鏈路 | I/O link I/O鏈路 | 20 m 20 m | Max 230.4 kbps, half duplex 最大230.4 kbps、 半雙工 | No 否 | M12 M12 | No 否 |
4 mA to 20 mA 4 mA至20 mA | Analog interface 模擬接口 | >10 km >10 km | -/- -/- | Yes, 36 mW 是， 36 mW | Screw 螺絲 | Yes 是 |
HART HART | Digitally modulated over 4 mA to 20 mA 4 mA至20 mA數字調制 | >1500 m >1500 m | 1200 bps, bus, half duplex 1200 bps、總線(xiàn)、 半雙工 | Yes, 36 mW 是， 36 mW | Screw 螺絲 | Yes 是 |
10BASE-T1L 10BASE-T1L | Ethernet IEEE 802.3 以太網(wǎng)IEEE 802.3 | 1000 m (2.4 V) with up to 10 joints (terminal boxes) 1000 m (2.4 V)，多達10個(gè)接頭（接線(xiàn)盒） | 10 Mbit, full duplex 10 Mbit、全雙工 | Yes, 是， up to 60 W 最高60 W In Ex Zone 0 up to 500 mW 在防爆危險區0 高達500 mW | Terminal screw or IDC connector, optional single pair Ethernet connector 端電極螺絲或IDC連接器，可選單對以太網(wǎng)連接器 | Yes 是 |
（來(lái)源：ADI公司，作者：戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Maurice O’Brien和系統應用工程師Volker Goller）
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