新的10BASE-T1L標準有哪些變化？

作者：ADI 資深現場應用工程師Thomas Brand 和資深現場技術主管 Thomas Tzscheetzsch

摘要

我們日常生活的許多方面，都離不開各種裝置之間的資料通訊。數位化和工業4.0帶來的裝置激增和資料量的急劇增加正在改變通訊領域。例如：過程自動化等領域需要使用整合網路，以支援工廠範圍內的連接需求。我們必須從營運技術(OT)機器中擷取並處理資料，然後將處理過的資料提供給公司層面的電腦系統(IT)進行進一步處理。由於之前的4 mA至20 mA或現場匯流排應用在資料通訊方面遇到了瓶頸，乙太網路開始成為通訊標準。首先是新的乙太網路標準10BASE-T1L，一種2線乙太網路解決方案，線路長達1000公尺，傳送速率為10 Mbps，同時支援PROFINET、Ethernet/IP、OPC UA、Modbus-TCP等傳輸協定。透過這個標準，我們可以繼續使用現有的2線佈線以避免浪費既有的投資。

本文介紹了10BASE-T1L的基礎知識，並展示了與選擇各種應用適用連接器相關的產品。透過資料線實現各種互連裝置的電力傳輸在10BASE-T1L中也發揮著非常重要的作用。

簡介

資料通訊不僅在工業領域，在過程自動化領域也發揮著越來越重要的作用。之前的4 mA至20 mA或現場匯流排應用由於資料量的激增也開始遇到瓶頸，因此乙太網路開始成為通訊標準。標準的4線乙太網路解決方案已發展為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乙太網路(SPE)組成。10BASE-T1L位於實體層之上，相容現有的100 Mbps或1000 Mbps工業乙太網路技術，因此可作為一種補充。

10BASE-T1L開始標準化，尤其是在過程自動化領域，並且有可能在該領域帶來翻天覆地的變化。目前，該領域的感測器和執行器通常都是透過4 mA至20 mA類比介面或現場匯流排進行連接。與機械工程或工廠自動化不同，過程自動化的感測器和執行器通常與控制系統或遠端I/O系統有一定距離。常見的距離為200-1000公尺或更遠。

但是10BASE-T1L到底是什麼，這種技術具有什麼優勢，它為什麼會成為新標準？

我們將在後續部分回答這些問題。

10BASE-T1L代表什麼呢？

10BASE-T1L這個名字大致解釋了其含義。這裡使用了電氣與電子工程師協會(IEEE)縮寫。

介質類型中的"10"是指10 Mbps傳輸速率。"BASE"是指基頻訊號，即只有乙太網路訊號才能透過介質傳輸。"T"代表"雙絞線"。數字"1"代表1 km範圍。在這種情況下，後面跟著的"L"代表「長距離」，表示段長可能為1 km甚至更長。

此外，還存在其他網路技術，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（具有多個基頻通道，且最大段長為3600 m的寬頻同軸電纜）。

10BASE-T1L可分類至OSI模型的哪一層？

10BASE-T1L可使用現有的2線基礎設施，線路長度高達1000 公尺，傳送速率為10 Mbps。物理乙太網路技術僅在開放系統互相連線(OSI)模型的第1層（位傳輸層或實體層）定義。10BASE-T1L在位傳輸層之上，支援常用乙太網路協定（如PROFINET、Modbus等）以及建築管理系統中常用的其他匯流排系統（如BACnet、KNX和LON）。表1為模型層及協定和匯流排系統概覽。

10BASE-T1L可利用第1層的特殊乙太網路PHY實現。乙太網路幀透過介質無關介面(MII)、簡化MII (RMII)或簡化千兆MII (RGMII)在MAC和PHY之間傳輸。

MAC由乙太網路標準IEEE 802.3定義，在資料連結層（第2層）中實現。PHY構成物理介面，並負責傳輸介質和數位系統之間資料的編碼和解碼。

10BASE-T1L可與哪些裝置和機器一起使用？現有基礎設施可以在多大程度上與其一起使用？

10BASE-T1L設計用於在許多（如果不是大多數）過程自動化應用中取代4 mA至20 mA標準化訊號。然而，這並不表示透過4 mA至20 mA電流迴路連接的舊款現場儀錶必須更換為支援10BASE-T1L的現場儀錶。這些傳統設備可透過軟體可配置I/O (SWIO)模組進行連接，而遠端I/O則用於透過10 Mbps乙太網路上行鏈路與PLC連接的採集點。

軟體可配置I/O模組具有可重新配置的模組通道，允許模組快速、輕鬆的遠端運行，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，或數位和類比的輸入或輸出。

在某些情況下，需要透過10BASE-T1L為設備供電以及傳輸設備資料，這被定義為標準的一部分。圖1顯示了透過4 mA至20 mA電流迴路連接的傳統現場儀錶和支援10BASE-T1L的新型現場儀錶的混合示例。

10BASE-T1L支援兩種幅度模式：電纜長度不超過1000 公尺為2.4 V，電纜長度不超過200 公尺為1 V。透過採用1.0 V的峰對峰幅度模式，該技術還可以用於防爆環境（危險區域），並滿足防爆環境嚴格的最大能耗要求。

根據產業聯盟的規定，先進實體層(APL)基於10BASE-T1L標準建構，同時定義了過程自動化的本質安全操作。

同樣，Ethernet-APL支援向使用現場至雲端連接的無縫過程自動化裝置轉換，包括食品和飲料、製藥以及石油和天然氣產業中存在潛在爆炸性氣體環境的區域。此外，APL還定義了透過單條雙絞線線路傳輸的電源供應等級。

10BASE-T1L未定義具體的傳輸介質（電纜）。只規定了電纜的回波損耗和插入損耗要求。現場匯流排Type A電纜為可選電纜。這允許重複使用現有的PROFIBUS或基金會現場匯流排佈線。10BASE-T1L可透過長達1000 公尺的電纜與一對平衡導體一起使用，且不會出現任何問題。然而，在嘈雜的工業環境中，需要使用遮罩電纜（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交換晶片具有整合診斷功能，可檢查電纜訊號品質。因此，10BASE-T1L是一項非常可靠的通訊技術，即使是將電線混在一起使用也不會出現問題。

10BASE-T1L具有什麼優勢？

傳統4 mA至20 mA與HART^®和現場匯流排設備的資料頻寬有限，只有幾個kbps。利用10BASET1L，可實現10 Mbps的傳送速率。這樣，不僅可以傳輸過程值，還可以傳輸其他設備參數，如配置和參數化資訊。未來，可以相對快速地進行日益複雜的感測器軟體更新，以及故障和網路診斷（如感測器線路短路）。由於10BASE-T1L不再需要使用閘道器和變換器，配置也更簡單。透過消除閘道器，可大幅降低這些舊設備的成本和複雜性，並且可以清除這些設備產生的資料孤島。

此外，還可以透過資料線路傳輸更大功率。例如：在本質安全區域（危險區域）可傳輸500 mW功率，在非本質安全區域甚至可傳輸高達60 W功率。

乙太網路標準（如PROFINET、EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA或Modbus-TCP）和物聯網協議（如MQTT）可實現現場裝置至雲端的簡單而強大的連接。

10BASE-T1L是否能夠與交換模組一起使用？

與標準乙太網路一樣，使用10BASE-T1L時，會有支援各種網段和裝置耦合的橋接器。可實現不同的網路拓撲結構，並用於向連接的裝置供電。在過程自動化領域，交換機通常連接至控制器、HMI和雲端。交換機允許環狀拓撲結構形式的介質安全備用，以提高可用性。

在過程自動化領域，與裝置、感測器和執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的連接則稱為幹線。

設備整合密度的不斷增加還可以實現其他可能性。例如：10BASE-T1L交換機可整合到感測器中，而該感測器可直接連接至亦由該交換機供電的其他感測器。圖2顯示不同交換機的互連示例。

可透過主機處理器實現與支援10BASE-T1L的設備通訊。通常需要整合式MAC功能、被動介質轉換器或具有10BASE-T1L埠的交換機。

我可以透過「雙線」實現裝置供電嗎？

10BASE-T1L標準不僅提供感測器和執行器的資料通訊功能，而且還提供通過訊號線路供電功能。具體來說，10BASE-T1L可以在非本質安全區域提供高達60 W的功率。在防爆（本質安全）區域，功率限制為500 mW；在這種情況下，訊號幅度也從標準應用的2.4 V減少到1 V，以符合適用於該區域的最大能量的嚴格要求。然而，在本質安全區域，只能縮短傳輸距離。

表3概述了在不同線路長度和區域，Type 18 AWG電纜可能的電力傳輸水準。

結論

10BASE-T1L為過程自動化提供了一個相對可靠的通訊標準，相較於傳統的4 mA到20 mA應用具有許多優勢，包括重複使用現有基礎設施的可能性。