【導讀】10BASE-T1L是在2019年11月7日經過IEEE認證的新以太網物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過與現場級器件（傳感器和執行器）的無縫以太網連接顯著提高工廠運營效率，徹底變革過程自動化行業。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制在過程自動化中使用現場以太網的挑戰。這些挑戰包括功率、帶寬、布線、距離、數據島以及本質安全0區（危險區域）應用。通過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法獲取的新見解，如組合過程變量、二次參數、資產健康反饋，并將它們無縫傳達至控制層及云端。這些新的見解將通過從現場到云的融合以太網網絡，讓數據分析、運營見解和生產力提高成為可能。
10BASE-T1L是在2019年11月7日經過IEEE認證的新以太網物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過與現場級器件（傳感器和執行器）的無縫以太網連接顯著提高工廠運營效率，徹底變革過程自動化行業。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制在過程自動化中使用現場以太網的挑戰。這些挑戰包括功率、帶寬、布線、距離、數據島以及本質安全0區（危險區域）應用。通過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法獲取的新見解，如組合過程變量、二次參數、資產健康反饋，并將它們無縫傳達至控制層及云端。這些新的見解將通過從現場到云的融合以太網網絡，讓數據分析、運營見解和生產力提高成為可能。
圖1.與過程自動化現場傳感器和執行器的無縫以太網連接。
要在過程自動化應用中用以太網替換4 mA至20 mA器件或現場總線通信（Foundation Fieldbus或PROFIBUS? Pa），需要通過單條屏蔽雙絞線向傳感器或執行器同時提供功率和數據。與更復雜的布線相比，單條雙絞線布線的優點是成本更低，尺寸更小，安裝更方便。在過程自動化應用中，現場級器件之間的距離一直是限制在100 m內的現有工業以太網物理層技術的巨大挑戰。由于過程自動化應用需要長達1 km的距離，并且需要適用于0區（本質安全）應用的低功率且可靠的現場器件，因此過程自動化需要一種實現以太網物理層技術的新方法。而10BASE-T1L就是這個新方法。
10BASE-T1L核心功能是全雙工、直流平衡、點對點通信方案，且在7.5 MBd碼元速率和4B3T編碼下采用PAM 3調制。它支持兩個幅度模式：長達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也可在防爆系統環境中使用，并符合嚴格的最大能源限制。它可通過雙絞線技術實現較長的傳輸距離，且在單條雙絞線上同時傳輸功率和數據，屬于單對以太網(SPE)介質系列。
10BASE-T1L支持為現場器件傳輸很高的功率；0區（本質安全）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。由于在網絡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器件，原因在于4 mA至20 mA器件的功率限制和現場總線不再適用。例如，現在通過額外的功率，可以測量更高的性能，增強對數據的邊緣處理。這將發掘有關過程變量的寶貴見解，過程變量現在可以通過在現場級器件（現場資產）上運行的Web服務器訪問，最終推動過程流和資產管理的改進和優化。
要利用包含這些寶貴新見解的豐富數據集，需要更高帶寬的通信鏈路，將跨過程安裝的現場器件的數據集傳輸至工廠級基礎設施或云端進行處理。而10BASE-T1L無需耗電量大的復雜網關，可跨信息技術(IT)和操作技術(OT)網絡使能融合以太網網絡。通過此融合網絡，可簡化安裝和器件更換，加快網絡調試和配置。最終將加快軟件更新，簡化根本原因分析和現場級器件維護。
以太網解決方案的優勢
通過融合以太網作為過程自動化中跨企業、控制和現場級別的通信方法，不再需要耗電量大的復雜網關。這也實現了從極為分散的現場總線基礎設施的過渡，該基礎設施創建了訪問現場級器件內部數據受限的數據島。通過移除這些網關，顯著降低了這些傳統設備的安裝成本和復雜性，并消除了其所創建的數據島。
迄今為止，過程自動化應用一直使用表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局限性。過程自動化中還存在一個知識庫挑戰。技術人員和工程師退休后，帶走了具有HART?的4 mA至20 mA器件或現場總線通信系統的部署、調試和安裝維護方式的詳細知識。而大學畢業生對這些傳統技術不熟悉，但很熟悉基于以太網的技術，可快速部署基于以太網的網絡解決方案。
表1.具有HART的4 mA至20 mA器件、現場總線和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 現場總線 | 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 更高級別的以太網連接 | Complex gateways 復雜 網關 | Complex gateways 復雜 網關 | No gateways, seamless connectivity 無網關、無縫連接 |
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/專業技術 | Shrinking knowledge/expertise 對 知識/專業技術的要求減少 | Shrinking knowledge/ expertise 對知識/專業技術的要求減少 | Ethernet technology is 以太網 技術 very familiar to all college graduates 對所有大學畢業生來說都很熟悉 |
以太網標準可確保采用10BASE-T1L的所有較高協議層的工作方式完全與10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T相同，因此無需使用復雜的網關。在IEEE 802.3中，為以太網：10BASE-T1L定義了ISO 7層模型中的所有物理層（請參見圖2）。這意味著，器件現在可以使用PROFINET?、EtherNetTM/IP、HART/IP、OPC UATM或MODBUS?/TCP并支持MQTT等物聯網協議，這提供了一種將現場器件連接到云的簡單而強大的方式。通過以太網，還可簡單地以集中控制的方式將軟件更新至終端節點，從而加快網絡調試。
圖2.ISO 7層模型中的10BASE-T1L
要與支持10BASE-T1L的器件通信，需要具有集成介質訪問控制(MAC)的主機處理器、無源介質轉換器或具有10BASE-T1L端口的交換機。無需其他軟件、自定義TCP/IP堆棧和特殊驅動程序（請參見圖3）。這就使10BASE-T1L器件具有明顯優勢：
盡管連接10BASE-T1L需要介質轉換器，但只轉換物理編碼，不轉換以太網數據包的內容。從軟件和通信協議角度來看，它是透明的。
通過以太網連接，無論傳感器在桌面上還是部署在制造工廠，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100個。這些參數目前無法通過4 mA至20 mA器件訪問。HART允許訪問，但通常太昂貴。因此，如果在桌面安裝過程中出錯，4 mA至20 mA傳感器將需要在現場安裝后重新配置。通過10BASE-T1L連接的傳感器可通過網絡訪問，并可隨時隨地遠程更新。
4 mA至20 mA器件僅可傳輸一個過程值。通過以太網，不僅能夠直接訪問過程值，而且能夠直接訪問所有器件參數，如資產管理、生命周期管理、預測性維護、配置和參數化。
圖3.采用10BASE-T1L PHY的現場級器件連接。
傳感器變得越來越復雜，軟件也更有可能更新。現在，通過快速以太網連接，可在現實時間段內隨時隨地做到這一點。
訪問高級以太網網絡診斷工具簡化根本原因分析。
過程自動化布線和網絡部署
在過程自動化中，不像在機器制造或工廠自動化中，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，而從那里到場開關之間的距離可長達1000 m。過程自動化使用A型現場總線電纜，因為它目前已經用于PROFIBUS PA和Foundation Fieldbus安裝。
10BASE-T1L標準不定義特定傳輸介質（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總線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，從而為過程自動化安裝的棕地升級創造巨大的機會。
由于10BASE-T1L允許信號幅度電壓在長達約200 m的線路上降低到1 V，因此10BASE-T1L可用于防爆系統環境中，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線器件，現可被支持10BASE-T1L的2線器件替代，2線器件無需外部電源，因此提高了新器件安裝的靈活性。
圖4顯示過程工業的建議網絡拓撲，稱為干線和支線網絡拓撲。干線電纜可長達1 km，其PHY峰峰值幅度為2.4 V，位于1區、2分區。支線電纜可長達200 m，其PHY峰峰值幅度為1.0 V，位于0區、1分區。電源開關位于控制級，提供以太網交換機功能，并向電纜供電（通過數據線）。場開關位于危險區域的現場級，由電纜供電。場開關提供將支線電纜上的現場級器件連接到干線電纜的以太網交換機功能，并向現場級器件供電。在一條干線電纜上連接多個場開關，可讓更多的現場級器件連接到網絡。
場開關可通過環型拓撲連接以實現冗余。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是一大進步。由于以太網現在用于在現場連接終端節點器件，IT和OT已成功融合到無縫以太網網絡上，從而能夠從世界上的任何地方對任何終端節點器件進行IP尋址。
圖4.過程工業的10BASE-T1L網絡拓撲。
支持10BASE-T1L的以太網APL
以太網APL（高級物理層）指定向過程工業的傳感器和執行器應用以太網通信的詳細信息，并將根據IEC發布。它基于10BASE-T1L以太網物理層標準，并指定用于危險場所的實施和防爆方法。領先的過程自動化公司正在PROFIBUS and PROFINET? International (PI)、ODVA, Inc.和FieldComm Group?的管理下合作，使以太網APL能夠跨工業以太網協議使用，并加速其部署。
過程自動化：向未來的無縫以太網連接過渡
與HART連接的4 mA至20 mA器件多年來一直成功部署在過程自動化應用中，是久經考驗的可靠解決方案，不會在一夜之間消失。目前存在具有支持HART的儀器儀表的大型4 mA至20 mA客戶群，并且ADI公司將對軟件可配置I/O進行投資，通過允許在任意引腳上訪問任意工業I/O功能，且允許在遠程I/O應用中在任意時間配置通道，提高這些現有器件的安裝靈活性。這意味著可在安裝時進行自定義，從而加速產品上市，減少設計資源需求，以及跨項目和客戶廣泛應用通用產品。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.傳統分立布線將逐漸成為所有傳感器和執行器的智能以太網網絡。
圖5顯示從傳統4 mA至20 mA連接的儀器儀表過渡到棕地以太網，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以太網上行鏈路提供聚合點。
將采用10BASE-T1L技術在過程自動化中實現無縫云端連接技術。10BASE-T1L消除了對網關和I/O的需求，并且實現了從現場器件到控制級別最終到云端的以太網連接。解鎖現場器件將生成豐富的數據集用于先進數據分析。
10BASE-T1L在過程自動化以外的應用
10BASE-T1L正在樓宇自動化、工廠自動化、能源供應、監控、自來水及污水處理自動化，以及最終在電梯領域產生強大的吸引力。所有這些應用都需要更高的帶寬、與傳感器的無縫以太網連接（無網關），以及在單條雙絞線上同時傳輸功率和數據。表2比較了10BASE-T1L和目前使用的現有有線技術。應用示例包括樓宇自動化中使用的RS-485和工廠自動化中使用的I/O鏈路。
10BASE-T1L器件創建可行見解以推動過程優化
在ADI公司的ChronousTM工業以太網解決方案系列中添加10BASE-T1L物理層產品后，ADI將實現向現場到云連接的過程自動化安裝的過渡，包括食品和飲料、制藥、石油和天然氣安裝設施的危險場所。新的10BASE-T1L物理層收發器將提供物理層接口，從而發揮以太網連接工廠的許多優勢。借助10BASE-T1L，以太網數據包從現場級別轉移到控制級別，最終到達云端，且無需網關，從而實現工業4.0統一IT/OT網絡的目標。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器件。各現場級器件的透明IP可尋址性將極大地簡化10BASE-T1L連接儀器儀表的安裝、配置和維護。10BASE-T1L將實現新的現場器件、豐富的云計算數據集和高級數據分析。工廠運營效率將通過從其過程中獲得可行見解而提高，從而加速未來部署更復雜的過程自動化生產設施。
表2.現有通信標準和10BASE-T1L的比較
Protocol 協議 | Packet Formats 包 格式 | Cable Length 電纜 長度 | Bit Rate 位速率 | Power Supply via Data Cable 通過 數據線供電 | Connector 連接器 | Intrinsic Safe Use Case 本質安全應用案例 |
PROFIBUS PA PROFIBUS PA | UART/PROFIBUS UART/PROFIBUS | 1200 m 1200 m | 31.25 kbps, bus, half duplex 31.25 kbps、總線、 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， 300 m，500 kb時，200 m） | Typically 19.2 kbps, bus, half duplex 典型19.2 kbps、總線、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、 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IEEE 802.3 | 1000 m (2.4 V) with up to 10 joints (terminal boxes) 1000 m (2.4 V)，多達10個接頭（接線盒） | 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，可選單對以太網連接器 | Yes 是 |
（來源：ADI公司，作者：戰略營銷經理Maurice O’Brien和系統應用工程師Volker Goller）
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