新的10BASE-T1L标准有哪些变化?

摘要

我们日常生活的许多方面,都离不开各种设备之间的数据通信。数字化和工业4.0带来的设备激增和数据量的急剧增加正在改变通信领域。例如:过程自动化等领域需要使用集成网络,以支持工厂范围内的连接需求。我们必须从运营技术(OT)机器中提取并处理数据,然后将处理过的数据提供给公司层面的计算机系统(IT)进行进一步处理。由于之前的4 mA至20 mA或现场总线应用在数据通信方面遇到了瓶颈,以太网开始成为通信标准。首先是新的以太网标准10BASE-T1L,一种2线以太网解决方案,线路长达1000米,传输速度为10 Mbps,同时支持PROFINET、Ethernet/IP、OPC UA、Modbus-TCP等传输协议。利用这个标准,我们可以继续使用现有的2线布线,从而避免浪费我们的投资。

本文介绍了10BASE-T1L的基础知识,并展示了与选择各种应用适用连接器相关的产品。通过数据线实现各种互连设备的电力传输在10BASE-T1L中也发挥着至关重要的作用。

简介

数据通信不仅在工业领域,在过程自动化领域也发挥着越来越重要的作用。之前的4 mA至20 mA或现场总线应用由于数据量的激增也开始遇到瓶颈,因此以太网开始成为通信标准。标准的4线以太网解决方案已发展为2线解决方案,我们称之为10BASE-T1L,该解决方案由单对双绞线或单对以太网(SPE)组成。10BASE-T1L位于物理层之上,兼容现有的100 Mbps或1000 Mbps工业以太网技术,因此可作为一种补充。

10BASE-T1L开始标准化,尤其是在过程自动化领域,并且有可能在该领域带来翻天覆地的变化。目前,该领域的传感器和执行器通常都是通过4 mA至20 mA模拟接口或现场总线进行连接。与机械工程或工厂自动化不同,过程自动化的传感器和执行器通常与控制系统或远程I/O系统有一定距离。常见的距离为200-1000米或更远。

但是10BASE-T1L到底是什么,这种技术具有什么优势,它为什么会成为新标准?

我们将在后续部分回答这些问题。

10BASE-T1L意味着什么?

10BASE-T1L这个名字大致解释了其含义。这里使用了电气与电子工程师协会(IEEE)缩写。

介质类型中的"10"是指10 Mbps传输速率。"BASE"是指基带信号,即只有以太网信号才能通过介质传输。"T"代表"双绞线"。数字"1"代表1 km范围。在这种情况下,后面跟着的"L"代表"长距离",意味着段长可能为1 km甚至更长。

此外,还存在其他网络技术,如10BASE-2(最大段长为185 m的较细同轴电缆)、10BASE-5(最大段长为500 m的较粗同轴电缆)、10BASE-F(光缆)或10BASE-36(具有多个基带通道,且最大段长为3600 m的宽带同轴电缆)。

10BASE-T1L可分类至OSI模型的哪一层?

10BASE-T1L可使用现有的2线基础设施,线路长度高达1000 m,传输速度为10 Mbps。物理以太网技术仅在开放系统互连(OSI)模型的第1层(位传输层或物理层)定义。10BASE-T1L在位传输层之上,支持常用以太网协议(如PROFINET、Modbus等)以及楼宇管理系统中常用的其他总线系统(如BACnet、KNX和LON)。表1为模型层及协议和总线系统概览。

表1. OSI模型及其协议和总线系统概览
OSI模型层 BACnet Modbus KNX LON
主机层
7 | 应用 BACnet应用层 Modbus KNX LON
6 | 展示
5 | 会话
4 | 传输
UDP (BACnet/IP)、TCP (BACnet/SC) TCP TCP
介质层 3 | 网络 BACnet网络层 IP, ARP, RARP IP
2 | 数据链路 ISO 8802 (IEEE 802.3)
1 | 物理 屏蔽或非屏蔽单条双绞线(IEEE 802.3cg)

10BASE-T1L可利用第1层的特殊以太网PHY实现。以太网帧通过介质无关接口(MII)、简化MII (RMII)或简化千兆MII (RGMII)在MAC和PHY之间传输。

MAC由以太网标准IEEE 802.3定义,在数据链路层(第2层)中实现。PHY构成物理接口,并负责传输介质和数字系统之间数据的编码和解码。

10BASE-T1L可与哪些设备和机器一起使用?现有基础设施可以在多大程度上与其一起使用?

10BASE-T1L设计用于在许多(如果不是大多数)过程自动化应用中取代4 mA至20 mA标准化信号。然而,这并不意味着通过4 mA至20 mA电流环路连接的旧款现场仪表必须更换为支持10BASE-T1L的现场仪表。这些传统设备可通过软件可配置I/O (SWIO)模块进行连接,而远程I/O则用作通过10 Mbps以太网上行链路与PLC连接的采集点。

软件可配置I/O模块具有可重新配置的模块通道,允许模块快速、轻松地远程运行,无需大量重新配线。通道可配置为电流和电压的输入或输出,或数字和模拟的输入或输出。

在某些情况下,需要通过10BASE-T1L为设备供电以及传输设备数据,这被定义为标准的一部分。图1显示了通过4 mA至20 mA电流环路连接的传统现场仪表和支持10BASE-T1L的新型现场仪表的混合示例。

图1. 采用传统现场仪表和支持10BASE-T1L的现场仪表的架构示例

10BASE-T1L支持两种幅度模式:电缆长度不超过1000 m为2.4 V,电缆长度不超过200 m为1 V。通过采用1.0 V的峰-峰幅度模式,该技术还可以用于防爆环境(危险区域),并满足防爆环境严格的最大能耗要求。

根据行业联盟的规定,高级物理层(APL)基于10BASE-T1L标准构建,同时定义了过程自动化的本质安全操作。

同样,Ethernet-APL支持向使用现场至云端连接的无缝过程自动化设备过渡,包括食品和饮料、制药以及石油和天然气行业中存在潜在爆炸性气体环境的区域。此外,APL还定义了通过单条双绞线线路传输的电源供应等级。

10BASE-T1L未定义具体的传输介质(电缆)。只规定了电缆的回波损耗和插入损耗要求。现场总线Type A电缆为可选电缆。这允许重复使用现有的PROFIBUS或基金会现场总线布线。10BASE-T1L可通过长达1000 m的电缆与一对平衡导体一起使用,且不会出现任何问题。然而,在嘈杂的工业环境中,需要使用屏蔽电缆(如Type A电缆),同时使用连接器、螺丝端子或穿孔板(punch-down block)。一些10BASE-T1L交换芯片具有集成诊断功能,可检查电缆信号质量。因此,10BASE-T1L是一项非常可靠的通信技术,即使是将电线混在一起使用也不会出现问题。

10BASE-T1L具有什么优势?

传统4 mA至20 mA与HART®和现场总线设备的数据带宽有限,只有几个kbps。利用10BASET1L,可实现10 Mbps的传输速度。这样,不仅可以传输过程值,还可以传输其他设备参数,如配置和参数化信息。未来,可以相对快速地进行日益复杂的传感器软件更新,以及故障和网络诊断(如传感器线路短路)。由于10BASE-T1L不再需要使用网关和变换器,配置也更简单。通过消除网关,可大大降低这些旧设备的成本和复杂性,并且可以清除这些设备产生的数据孤岛。

此外,还可以通过数据线路传输更大功率。例如:在本质安全区域(危险区域)可传输500 mW功率,在非本质安全区域甚至可传输高达60 W功率。

以太网标准(如PROFINET、EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA或Modbus-TCP)和物联网协议(如MQTT)可实现现场设备至云端的简单而强大的连接。

10BASE-T1L是否能够与交换模块一起使用?

与标准以太网一样,使用10BASE-T1L时,会有支持各种网段和设备耦合的网桥。可实现不同的网络拓扑结构,并用于向连接的设备供电。在过程自动化领域,交换机通常连接至控制器、HMI和云端。交换机允许环形拓扑结构形式的介质冗余,以提高可用性。

在过程自动化领域,与设备、传感器和执行器的连接亦称为支线,而交换机之间的连接以及至控制系统的连接则称为干线。

设备集成密度的不断增加还可以实现其他可能性。例如:10BASE-T1L交换机可集成到传感器中,而该传感器可直接连接至亦由该交换机供电的其他传感器。图2显示不同交换机的互连示例。

图2. 交换机互连示例图

可通过主机处理器实现与支持10BASE-T1L的设备通信。通常需要集成式MAC功能、无源介质转换器或带有10BASE-T1L端口的交换机。

表2. 过程自动化中的不同通信技术概述
具有HART的4 mA至20 mA 现场总线 10BASE-T1L
数据带宽 1.2 kbps 31.25 kbps 10 Mbps
连接至更高级别的以太网网络 复杂的网关 复杂的网关 无缝连接,无网关
仪表电源供应 <40 mW 有限 本质安全:500 mW;非本质安全:高达60 W(取决于电缆)
专业技能/专业知识 专业技能/专业知识需求较少 专业技能/专业知识需求较少 大学毕业生非常熟悉以太网

我可以通过"双线"实现设备供电吗?

10BASE-T1L标准不仅提供传感器和执行器的数据通信功能,而且还提供通过信号线路供电功能。具体来说,10BASE-T1L可以在非本质安全区域提供高达60 W的功率。在防爆(本质安全)区域,功率限制为500 mW;在这种情况下,信号幅度也从标准应用的2.4 V减少到1 V,以符合适用于该区域的最大能量的严格要求。然而,在本质安全区域,只能缩短传输距离。

表3概述了在不同线路长度和区域,Type 18 AWG电缆可能的电力传输水平。

表3. 不同电缆长度(Type 18 AWG)的电力传输水平概览
55 V 24 V
1000 m 7.7 W 1.23 W
400 m 20 W 3.2 W
150 m 52 W 8.3 W

结论

10BASE-T1L为过程自动化提供了一个相对可靠的通信标准,与传统的4 mA到20 mA应用相比具有许多优势,包括重复使用现有基础设施的可能性。

作者

Thomas Brand

Thomas Brand

Thomas Brand于2015年10月加入德国慕尼黑的ADI公司,当时他还在攻读硕士。2016年5月至2017年1月,他参加了ADI公司的现场应用工程师培训生项目。之后在2017年2月,他开始担任现场应用工程师职位,主要负责工业大客户。此外,他还专注于研究工业以太网,并为中欧的相关主题提供支持。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业,之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。

Thomas Tzscheetzsch

Thomas Tzscheetzsch

Thomas Tzscheetzsch 于2010年加入ADI公司,担任高级现场应用工程师。2010年至2012年,他负责支持德国中部地区的客户群,自2012年以来,他任职于关键客户团队,为关键客户提供支持服务。2017年重组后,他负责中欧国家IHC市场的FAE团队,担任FAE经理。

在职业生涯的最初阶段,他于1992年至1998年在一家机械制造公司任电子工程师,担任部门负责人。在哥廷根应用科学大学完成电气工程学习后,他任职于Max Planck研究院从事太阳能系统研究工作,担任硬件设计工程师。2004年至2010年,他任职于ADI公司产品经销商的现场应用工程师。