摘要
我們日常生活的許多方面，都離不開各種設備之間的數(shù)據(jù)通信。數(shù)字化和工業(yè)4.0帶來的設備激增和數(shù)據(jù)量的急劇增加正在改變通信領域。 例如：過程自動化等領域需要使用集成網(wǎng)絡，以支持工廠范圍內的連接需求。我們必須從運營技術(OT)機器中提取并處理數(shù)據(jù)，然后將處理過的數(shù)據(jù)提供給公司層面的計算機系統(tǒng)(IT)進行進一步處理。由于之前的4 mA至20 mA或現(xiàn)場總線應用在數(shù)據(jù)通信方面遇到了瓶頸，以太網(wǎng)開始成為通信標準。首先是新的以太網(wǎng)標準10BASE-T1L，一種2線以太網(wǎng)解決方案，線路長達1000米，傳輸速度為10 Mbps，同時支持PROFINET、Ethernet/IP、OPC UA、Modbus-TCP等傳輸協(xié)議。利用這個標準，我們可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的2線布線，從而避免浪費我們的投資。
本文介紹了10BASE-T1L的基礎知識，并展示了與選擇各種應用適用連接器相關的產(chǎn)品。通過數(shù)據(jù)線實現(xiàn)各種互連設備的電力傳輸在10BASE-T1L中也發(fā)揮著至關重要的作用。
簡介
數(shù)據(jù)通信不僅在工業(yè)領域，在過程自動化領域也發(fā)揮著越來越重要的作用。之前的4 mA至20 mA或現(xiàn)場總線應用由于數(shù)據(jù)量的激增也開始遇到瓶頸，因此以太網(wǎng)開始成為通信標準。標準的4線以太網(wǎng)解決方案已發(fā)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以太網(wǎng)(SPE)組成。10BASE-T1L位于物理層之上，兼容現(xiàn)有的100 Mbps或1000 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)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，并且有可能在該領域帶來翻天覆地的變化。目前，該領域的傳感器和執(zhí)行器通常都是通過4 mA至20 mA模擬接口或現(xiàn)場總線進行連接。與機械工程或工廠自動化不同，過程自動化的傳感器和執(zhí)行器通常與控制系統(tǒng)或遠程I/O系統(tǒng)有一定距離。常見的距離為200-1000米或更遠。
但是10BASE-T1L到底是什么，這種技術具有什么優(yōu)勢，它為什么會成為新標準？
我們將在后續(xù)部分回答這些問題。
10BASE-T1L意味著什么？
10BASE-T1L這個名字大致解釋了其含義。這里使用了電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)縮寫。
介質類型中的“10”是指10 Mbps傳輸速率。“BASE”是指基帶信號，即只有以太網(wǎng)信號才能通過介質傳輸。“T”代表“雙絞線”。數(shù)字“1”代表1 km范圍。在這種情況下，后面跟著的“L”代表“長距離”，意味著段長可能為1 km甚至更長。
此外，還存在其他網(wǎng)絡技術，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（具有多個基帶通道，且最大段長為3600 m的寬帶同軸電纜）。
10BASE-T1L可分類至OSI模型的哪一層？
10BASE-T1L可使用現(xiàn)有的2線基礎設施，線路長度高達1000 m，傳輸速度為10 Mbps。物理以太網(wǎng)技術僅在開放系統(tǒng)互連(OSI)模型的第1層（位傳輸層或物理層）定義。10BASE-T1L在位傳輸層之上，支持常用以太網(wǎng)協(xié)議（如PROFINET、Modbus等）以及樓宇管理系統(tǒng)中常用的其他總線系統(tǒng)（如BACnet、KNX和LON）。表1為模型層及協(xié)議和總線系統(tǒng)概覽。
10BASE-T1L可利用第1層的特殊以太網(wǎng)PHY實現(xiàn)。以太網(wǎng)幀通過介質無關接口(MII)、簡化MII (RMII)或簡化千兆MII (RGMII)在MAC和PHY之間傳輸。
MAC由以太網(wǎng)標準IEEE 802.3定義，在數(shù)據(jù)鏈路層（第2層）中實現(xiàn)。PHY構成物理接口，并負責傳輸介質和數(shù)字系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的編碼和解碼。
10BASE-T1L可與哪些設備和機器一起使用？現(xiàn)有基礎設施可以在多大程度上與其一起使用？
10BASE-T1L設計用于在許多（如果不是大多數(shù)）過程自動化應用中取代4 mA至20 mA標準化信號。然而，這并不意味著通過4 mA至20 mA電流環(huán)路連接的舊款現(xiàn)場儀表必須更換為支持10BASE-T1L的現(xiàn)場儀表。這些傳統(tǒng)設備可通過軟件可配置I/O (SWIO)模塊進行連接，而遠程I/O則用作通過10 Mbps以太網(wǎng)上行鏈路與PLC連接的采集點。
軟件可配置I/O模塊具有可重新配置的模塊通道，允許模塊快速、輕松地遠程運行，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(shù)字和模擬的輸入或輸出。
在某些情況下，需要通過10BASE-T1L為設備供電以及傳輸設備數(shù)據(jù)，這被定義為標準的一部分。圖1顯示了通過4 mA至20 mA電流環(huán)路連接的傳統(tǒng)現(xiàn)場儀表和支持10BASE-T1L的新型現(xiàn)場儀表的混合示例。
表1OSI模型及其協(xié)議和總線系統(tǒng)概覽
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OSI模型層
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BACnet
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Modbus
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KNX
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LON
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主機層
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7 | 應用
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BACnet應用層
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Modbus
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KNX
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LON
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6 | 展示
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5 | 會話
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—
—
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4 | 傳輸
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UDP (BACnet/IP)、TCP (BACnet/SC)
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TCP
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TCP
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介質層
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3 | 網(wǎng)絡
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BACnet網(wǎng)絡層
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IP、ARP、RARP
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IP
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2 | 數(shù)據(jù)鏈路
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ISO 8802 (IEEE 802.3)
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1 | 物理
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屏蔽或非屏蔽單條雙絞線(IEEE 802.3cg)
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圖1.采用傳統(tǒng)現(xiàn)場儀表和支持10BASE-T1L的現(xiàn)場儀表的架構示例
10BASE-T1L支持兩種幅度模式：電纜長度不超過1000 m為2.4 V，電纜長度不超過200 m為1 V。通過采用1.0 V的峰-峰幅度模式，該技術還可以用于防爆環(huán)境（危險區(qū)域），并滿足防爆環(huán)境嚴格的最大能耗要求。
根據(jù)行業(yè)聯(lián)盟的規(guī)定，高級物理層(APL)基于10BASE-T1L標準構建，同時定義了過程自動化的本質安全操作。
同樣，Ethernet-APL支持向使用現(xiàn)場至云端連接的無縫過程自動化設備過渡，包括食品和飲料、制藥以及石油和天然氣行業(yè)中存在潛在爆炸性氣體環(huán)境的區(qū)域。此外，APL還定義了通過單條雙絞線線路傳輸?shù)碾娫垂⿷燃墶?/p>
10BASE-T1L未定義具體的傳輸介質（電纜）。只規(guī)定了電纜的回波損耗和插入損耗要求。現(xiàn)場總線Type A電纜為可選電纜。這允許重復使用現(xiàn)有的PROFIBUS或基金會現(xiàn)場總線布線。10BASE-T1L可通過長達1000 m的電纜與一對平衡導體一起使用，且不會出現(xiàn)任何問題。然而，在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中，需要使用屏蔽電纜（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交換芯片具有集成診斷功能，可檢查電纜信號質量。因此，10BASE-T1L是一項非�？煽康耐ㄐ偶夹g，即使是將電線混在一起使用也不會出現(xiàn)問題。
10BASE-T1L具有什么優(yōu)勢？
傳統(tǒng)4 mA至20 mA與HART®和現(xiàn)場總線設備的數(shù)據(jù)帶寬有限，只有幾個kbps。利用10BASET1L，可實現(xiàn)10 Mbps的傳輸速度。這樣，不僅可以傳輸過程值，還可以傳輸其他設備參數(shù)，如配置和參數(shù)化信息。未來，可以相對快速地進行日益復雜的傳感器軟件更新，以及故障和網(wǎng)絡診斷（如傳感器線路短路）。由于10BASE-T1L不再需要使用網(wǎng)關和變換器，配置也更簡單。通過消除網(wǎng)關，可大大降低這些舊設備的成本和復雜性，并且可以清除這些設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)孤島。
此外，還可以通過數(shù)據(jù)線路傳輸更大功率。例如：在本質安全區(qū)域（危險區(qū)域）可傳輸500 mW功率，在非本質安全區(qū)域甚至可傳輸高達60 W功率。
以太網(wǎng)標準（如PROFINET、EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA或Modbus-TCP）和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（如MQTT）可實現(xiàn)現(xiàn)場設備至云端的簡單而強大的連接。
10BASE-T1L是否能夠與交換模塊一起使用？
與標準以太網(wǎng)一樣，使用10BASE-T1L時，會有支持各種網(wǎng)段和設備耦合的網(wǎng)橋�？蓪崿F(xiàn)不同的網(wǎng)絡拓撲結構，并用于向連接的設備供電。在過程自動化領域，交換機通常連接至控制器、HMI和云端。交換機允許環(huán)形拓撲結構形式的介質冗余，以提高可用性。
在過程自動化領域，與設備、傳感器和執(zhí)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(tǒng)的連接則稱為干線。
設備集成密度的不斷增加還可以實現(xiàn)其他可能性。例如：10BASE-T1L交換機可集成到傳感器中，而該傳感器可直接連接至亦由該交換機供電的其他傳感器。圖2顯示不同交換機的互連示例。
圖2.交換機互連示例圖
可通過主機處理器實現(xiàn)與支持10BASE-T1L的設備通信。通常需要集成式MAC功能、無源介質轉換器或帶有10BASE-T1L端口的交換機。
表2過程自動化中的不同通信技術概述
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具有HART的4 mA至20 mA
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現(xiàn)場總線
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10BASE-T1L
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數(shù)據(jù)帶寬
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1.2 kbps
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31.25 kbps
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10 Mbps
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連接至更高級別的以太網(wǎng)網(wǎng)絡
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復雜的網(wǎng)關
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復雜的網(wǎng)關
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無縫連接，無網(wǎng)關
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儀表電源供應
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<40 mW
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有限
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本質安全：500 mW；非本質安全：
高達60 W（取決于電纜）
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專業(yè)技能/專業(yè)知識
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專業(yè)技能/專業(yè)知識需求較少
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專業(yè)技能/專業(yè)知識需求較少
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大學畢業(yè)生非常熟悉
以太網(wǎng)
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我可以通過“雙線”實現(xiàn)設備供電嗎？
10BASE-T1L標準不僅提供傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)通信功能，而且還提供通過信號線路供電功能。具體來說，10BASE-T1L可以在非本質安全區(qū)域提供高達60 W的功率。在防爆（本質安全）區(qū)域，功率限制為500 mW；在這種情況下，信號幅度也從標準應用的2.4 V減少到1 V，以符合適用于該區(qū)域的最大能量的嚴格要求。然而，在本質安全區(qū)域，只能縮短傳輸距離。
表3概述了在不同線路長度和區(qū)域，Type 18 AWG電纜可能的電力傳輸水平。
表3不同電纜長度(Type 18 AWG)的電力傳輸水平概覽
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55 V
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24 V
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1000 m
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7.7 W
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1.23 W
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400 m
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20 W
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3.2 W
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150 m
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52 W
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8.3 W
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結論
10BASE-T1L為過程自動化提供了一個相對可靠的通信標準，與傳統(tǒng)的4 mA到20 mA應用相比具有許多優(yōu)勢，包括重復使用現(xiàn)有基礎設施的可能性。
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