以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)10BASE-T1L的基礎(chǔ)知識(shí)

作者：Thomas Brand and Thomas Tzscheetzsch

各種設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信在日常生活的許多方面都是必不可少的。數(shù)字化和工業(yè) 4.0 推動(dòng)的設(shè)備激增以及數(shù)據(jù)量的急劇增加正在迫使通信格局發(fā)生變化。例如，在過程自動(dòng)化等領(lǐng)域，需要支持整個(gè)工廠連接的集成網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)必須從操作技術(shù)（OT）機(jī)器中提取，進(jìn)行處理，然后提供給公司級(jí)別（IT）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于以前的4 mA至20 mA或現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信方面遇到了極限，以太網(wǎng)正在成為通信標(biāo)準(zhǔn)。首先，這是新的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)10BASE-T1L，這是一種2線以太網(wǎng)解決方案，線路長(zhǎng)度可達(dá)1000 m，傳輸速度為10 Mbps，支持PROFINET，EtherNet/IP，OPC UA，Modbus-TCP等傳輸協(xié)議。有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的2線布線，從而保護(hù)投資。

本文介紹了10BASE-T1L的基礎(chǔ)知識(shí)，并展示了相應(yīng)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品也與為各種應(yīng)用選擇合適的連接器有關(guān)。通過數(shù)據(jù)線傳輸各種連接設(shè)備的電力在10BASE-T1L中也起著重要作用。

介紹

數(shù)據(jù)通信不僅在工業(yè)領(lǐng)域，而且在過程自動(dòng)化中都發(fā)揮著越來越大的作用。由于數(shù)據(jù)量激增，以前的4 mA至20 mA或現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用正在達(dá)到極限，因此以太網(wǎng)正在成為通信標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng) 4 線解決方案已演變?yōu)榉Q為 10BASE-T1L 的 2 線解決方案，由單對(duì)雙絞線或單對(duì)以太網(wǎng) （SPE） 組成。在物理層之上，10BASE-T1L與現(xiàn)有的100 Mbps或1000 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)兼容，因此是一種補(bǔ)充。

10BASE-T1L正在變得標(biāo)準(zhǔn)化，特別是在過程自動(dòng)化方面，并有可能在該領(lǐng)域產(chǎn)生徹底的變化。正是在這里，到目前為止，傳感器和執(zhí)行器通常通過4 mA至20 mA模擬接口或現(xiàn)場(chǎng)總線連接。在過程自動(dòng)化中，與機(jī)械工程或工廠自動(dòng)化不同，這些傳感器和執(zhí)行器通常與控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程I / O系統(tǒng)保持一定距離。200 m 到 1000 m 及以上的距離很常見。

但10BASE-T1L到底是什么，這項(xiàng)技術(shù)有什么優(yōu)勢(shì)，為什么它是一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)？

這些問題將在以下各節(jié)中回答。

10BASE-T1L 是什么意思？

名稱10BASE-T1L大致解釋了它的含義。此處使用電氣和電子工程師協(xié)會(huì) （IEEE） 縮寫。

介質(zhì)類型中的“10”表示 10 Mbps 的傳輸速率。 “BASE”是指基帶信號(hào)，這意味著只有以太網(wǎng)信號(hào)可以通過介質(zhì)傳輸。“T”代表“雙絞線”。數(shù)字“1”代表 1 公里范圍。在這種情況下，它后面跟一個(gè)“L”表示“長(zhǎng)距離”，這意味著段長(zhǎng)度為 1 公里或更長(zhǎng)是可能的。

還有其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如10BASE-2（最大段長(zhǎng)為185米的細(xì)同軸電纜）、10BASE-5（最大段長(zhǎng)為500米的粗同軸電纜）、10BASE-F（光纖電纜）或10BASE-36（具有多個(gè)基帶信道的寬帶同軸電纜，最大段長(zhǎng)度為3600米）。

10BASE-T1L 可以分為 OSI 模型的哪一層？

10BASE-T1L提供了使用現(xiàn)有2線基礎(chǔ)設(shè)施的可能性，以10 Mbps的傳輸速度實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)1000米的線路長(zhǎng)度。物理以太網(wǎng)技術(shù)僅在開放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型的第 1 層（位傳輸層或物理層）中定義。在位傳輸層之上，10BASE-T1L支持常見的以太網(wǎng)協(xié)議，如PROFINET，Modbus等，以及其他總線系統(tǒng)，如BACnet，KNX和LON，這些系統(tǒng)通常用于樓宇管理系統(tǒng)。表 1 顯示了概述。

10BASE-T1L 在第 1 層的特殊以太網(wǎng) PHY 的幫助下實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)幀通過介質(zhì)獨(dú)立接口 （MII）、縮減 MII （RMII） 或縮減千兆位 MII （RGMII） 在 MAC 和 PHY 之間傳輸。

MAC 由以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.3 定義，并在數(shù)據(jù)鏈路層（第 2 層）中實(shí)現(xiàn)。PHY形成物理接口，負(fù)責(zé)對(duì)傳輸介質(zhì)和數(shù)字系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼。

10BASE-T1L可以與哪些設(shè)備和機(jī)器一起使用，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施可以在多大程度上使用它？

10BASE-T1L 設(shè)計(jì)用于在許多（如果不是大多數(shù)）過程自動(dòng)化應(yīng)用中取代 4 mA 至 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)。然而，這并不意味著通過4 mA至20 mA電流環(huán)路連接的舊現(xiàn)場(chǎng)儀表必須替換為支持10BASE-T1L的現(xiàn)場(chǎng)儀表。這些傳統(tǒng)設(shè)備可以通過軟件可配置的 I/O （SWIO） 模塊進(jìn)行連接，而遠(yuǎn)程 I/O 則用作通過 10 Mbps 以太網(wǎng)上行鏈路連接到 PLC 的收集點(diǎn)。

軟件可配置的I/O模塊具有可重新配置的模塊通道，這使得它們能夠快速、輕松、遠(yuǎn)程地工作，而無需大量重新布線。這些通道可以配置為電流和電壓的輸入或輸出，也可以配置為數(shù)字和模擬。

在某些情況下，要求通過10BASE-T1L提供設(shè)備的電源及其數(shù)據(jù)，這是標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

10BASE-T1L 支持兩種幅度模式：2.4 V 用于長(zhǎng)達(dá) 1000 m 的電纜，1 V 用于長(zhǎng)達(dá) 200 m 的較短距離。通過1.0 V峰峰值幅度模式，該技術(shù)還可用于防爆環(huán)境（危險(xiǎn)區(qū)域），并滿足那里適用的嚴(yán)格最大能耗要求。

一個(gè)行業(yè)聯(lián)盟指定了高級(jí)物理層（APL），它建立在10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)之上，定義了過程自動(dòng)化的本質(zhì)安全操作。

Ethernet-APL 同樣支持通過現(xiàn)場(chǎng)到云連接過渡到無縫過程自動(dòng)化安裝，包括食品和飲料、制藥以及石油和天然氣行業(yè)中具有潛在爆炸性環(huán)境的區(qū)域。此外，APL 還定義了單雙絞線的電源配置等級(jí)。

沒有混凝土傳輸介質(zhì)（電纜）被定義為10BASE-T1L。僅指定電纜的回波損耗和插入損耗要求。現(xiàn)場(chǎng)總線A型電纜是首選電纜。這允許重復(fù)使用現(xiàn)有的PROFIBUS或基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線電纜。10BASE-T1L 在長(zhǎng)達(dá) 1000 m 的電纜長(zhǎng)度上與一對(duì)平衡的導(dǎo)體配合使用，沒有任何問題。但是，在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中，需要使用像A型電纜這樣的屏蔽電纜 - 使用連接器，螺絲端子或打孔塊。一些10BASE-T1L開關(guān)芯片具有集成的診斷功能，可以檢查電纜上的信號(hào)質(zhì)量。因此，10BASE-T1L是一種非常強(qiáng)大的通信技術(shù)，即使電線混淆也不會(huì)造成問題。

10BASE-T1L有哪些優(yōu)勢(shì)？

傳統(tǒng)的4 mA至20 mAHART和現(xiàn)場(chǎng)總線器件的數(shù)據(jù)帶寬有限，僅為幾kbps。使用10BASE-T1L，可以達(dá)到10 Mbps的速度。這樣不僅可以傳輸過程值，還可以傳輸附加設(shè)備參數(shù)，例如配置和參數(shù)化信息。將來，對(duì)于日益復(fù)雜的傳感器，以及故障和網(wǎng)絡(luò)診斷，例如傳感器線路短路，將通過數(shù)據(jù)線相對(duì)快速地執(zhí)行。配置也更容易，因?yàn)?10BASE-T1L 不再需要網(wǎng)關(guān)和轉(zhuǎn)換器。通過消除網(wǎng)關(guān)，大大降低了這些舊安裝的成本和復(fù)雜性，并清除了它們創(chuàng)建的數(shù)據(jù)孤島。?

此外，可以通過數(shù)據(jù)線傳輸更高的功率。例如，本質(zhì)安全區(qū)域（危險(xiǎn)區(qū)域）的功率為 500 mW，在非本質(zhì)安全區(qū)域甚至可以傳輸高達(dá) 60 W 的功率。

以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如PROFINET，EtherNet/IP，HART-IP，OPC UA或ModbusTCP，以及物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，如MQTT，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與云的輕松而強(qiáng)大的連接。

10BASE-T1L 是否也適用于開關(guān)模塊？

與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)一樣，10BASE-T1L具有橋接器，可以耦合各種網(wǎng)段和設(shè)備?？梢詫?shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并用于為連接的設(shè)備供電。在過程自動(dòng)化中，開關(guān)通常連接到控制器、HMI 和云。交換機(jī)允許以環(huán)形拓?fù)湫问綄?shí)現(xiàn)介質(zhì)冗余，以提高可用性。

在過程自動(dòng)化中，與設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器的連接也稱為雜散，而開關(guān)與控制系統(tǒng)之間的連接則稱為干線。

設(shè)備集成密度不斷提高，帶來了更多的可能性。例如，10BASE-T1L開關(guān)可以集成到傳感器中，該傳感器直接連接到也可以由其提供的其他傳感器。

與支持 10BASE-T1L 的設(shè)備的通信通過主機(jī)處理器進(jìn)行。它通常需要集成的MAC功能，無源媒體轉(zhuǎn)換器或具有10BASE-T1L端口的交換機(jī)。

我也可以通過“兩根線”為設(shè)備供電嗎？

10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)不僅提供來自傳感器和執(zhí)行器的數(shù)據(jù)通信，而且還提供了通過信號(hào)線為其供電的可能性。具體而言，10BASE-T1L可以在非本質(zhì)安全區(qū)域提供高達(dá)60 W的功率。在防爆（本質(zhì)安全）區(qū)域，功率限制為 500 mW;在這種情況下，信號(hào)幅度也從標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的幅度從2.4 V降低到1 V，以符合那里適用的最大能量的嚴(yán)格要求。然而，因此，在本質(zhì)安全區(qū)域只能縮短傳輸距離。

表 3 概述了 18 型 AWG 電纜的各種線路長(zhǎng)度和區(qū)域的可能電力傳輸水平。

結(jié)論

10BASE-T1L為過程自動(dòng)化提供了相對(duì)強(qiáng)大的通信標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的4 mA至20 mA應(yīng)用相比，具有許多優(yōu)勢(shì)，包括可重用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。