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
各種設備之間的資料通訊，在我們日常生活的許多方面都是必不可少的。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10BASE-T1L到底是什麼，這項技術有什麼優勢，它為什麼會成為新標準？
這些問題將在以下部分回答。
10BASE-T1L 是什麼？
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 可以分類為 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。
表1. OSI模型及其協定和匯流排系統概覽
10BASE-T1L 利用在第 1 層的特殊乙太網 PHY 實現。乙太網幀透過介質無關介面 （MII）、縮減 MII （RMII） 或縮減千兆 MII （RGMII） 在 MAC 和 PHY 之間傳輸。
MAC 由乙太網標準 IEEE 802.3 定義，並在資料連結層（第2層）中實現。PHY形成物理介面，負責對傳輸介質和數位系統之間的數據進行編碼和解碼。
10BASE-T1L可以與哪些設備和機器一起使用？現有基礎設施可以在多大程度上使用它？
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，這並不意味著透過4 mA至20 mA電流迴路連接的舊款現場儀錶必須替換為支援10BASE-T1L的現場儀錶。這些傳統設備可以透過軟體可配置 I/O （SWIO） 模組進行連接，而遠端 I/O 則用於透過 10 Mbps 乙太網上行鏈路與 PLC 連接的收集點。
軟體可配置的I/O模組具有可重新配置的模組通道，這使得它們能夠快速、輕鬆、遠端地工作，而無需大量重新佈線。這些通道可以配置為電流和電壓的輸入或輸出，也可以配置為數位和類比。
在某些情況下，需要透過10BASE-T1L提供設備電源及其數據資料，這是標準的一部分。圖1顯示了通過4 mA至20 mA電流迴路連接的傳統現場儀錶和支援10BASE-T1L功能的新型現場儀錶的混合示例。
圖1.使用傳統現場儀錶和10BASE-T1L現場儀錶的樣本架構。
10BASE-T1L 支援兩種幅度模式：2.4 V 用於長達 1000 m 的電纜，1 V 用於長達 200 m 的較短距離。透過1.0 V峰峰值幅度模式，該技術還可用於防爆環境（危險區域），並滿足嚴格的最大能耗要求。
一個行業聯盟指定了高級物理層（APL），它建立在10BASE-T1L標準之上，定義了過程自動化的本質安全操作。
Ethernet-APL 同樣支援，透過現場到雲連接到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行業中具有潛在爆炸性環境的區域。此外，APL 還定義了單雙絞線的電源配置等級。
10BASE-T1L未定義具體的傳輸介質（電纜）。僅指定電纜的回波損耗和插入損耗要求。現場總線A型態電纜是首選電纜。這允許重複使用現有的PROFIBUS或基礎現場總線電纜。10BASE-T1L 在長達 1000 m 的電纜長度上與一對平衡的導體配合使用，沒有任何問題。但是，在嘈雜的工業環境中，需要使用像A型態電纜這樣的遮罩電纜，並使用連接器、螺絲端子或穿孔版。一些10BASE-T1L開關晶片具有整合的診斷功能，可以檢查電纜上的訊號品質。因此，10BASE-T1L是一種非常強大的通訊技術，即使電線混淆也不會造成問題。
10BASE-T1L有哪些優勢？
傳統的4 mA至20 mAHART®和現場總線設備的資料頻寬有限，僅為幾kbps。使用10BASE-T1L，可以達到10 Mbps的速度。這樣不僅可以傳輸過程值，還可以傳輸附加設備參數，例如配置和參數化資訊。將來，對於日益複雜的感測器，以及故障和網路診斷，例如感測器線路短路，將透過資料線快速的執行更新。配置也更容易，因為 10BASE-T1L 不再需要閘道和轉換器。透過消除閘道，大大降低了這些舊安裝的成本和複雜性，並清除這些設備產生的資料孤島。
此外，可以透過資料線路傳輸更高的功率。例如，本質安全區域（危險區域）的功率傳輸為 500 mW，在非本質安全區域甚至可以傳輸高達 60 W 的功率。
乙太網標準，如PROFINET，EtherNet/IP，HART-IP，OPC UA或ModbusTCP，以及物聯網協定，如MQTT，可以實現現場設備與雲的輕鬆而強大的連接。
10BASE-T1L是否也適用於交換模組？
與標準乙太網一樣，10BASE-T1L具有橋接器，可以耦合各種網段和設備。可以實現不同的網路拓撲，並用於為連接的設備供電。在過程自動化中，交換機通常連接到控制器、HMI 和雲。交換機允許以環形拓撲形式實現介質安全備用，以提高可用性。
在過程自動化中，與設備、感測器和執行器的連接也稱為支線，而交換機與控制系統之間的連接則稱為幹線。
設備整合密度不斷提高，帶來了更多的可能性。例如，10BASE-T1L交換機可以整合到感測器中，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 顯示了不同交換機的示例互連。
圖2.交換機互連圖的示例。
與支援 10BASE-T1L 的設備的通訊透過主機處理器進行。它通常需要整合式MAC功能，被動介質轉換器或具有10BASE-T1L埠的交換機。
我也可以透過「兩條線」為設備供電嗎？
10BASE-T1L標準不僅提供來自感測器和執行器的資料通訊，而且還提供了透過訊號線為其供電的功能。整體來說，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，功率限製為500 mW;在這種情況下，訊號幅度也從標準應用的2.4 V降低到1 V，以符合適用該區域的最大能量的嚴格要求。然而，因此，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。
表3. 不同電纜長度(Type 18 AWG)的電力傳輸水準概覽
結論
10BASE-T1L為過程自動化提供了相對強大的通訊標準，與傳統的4 mA至20 mA應用相比，具有許多優勢，包括可重複使用現有基礎設施。
作者
Thomas Brand於2015年在慕尼克的ADI公司開始了他的職業生涯，這是他碩士論文的一部分。畢業后，他參加了ADI的實習生計劃。2017年，他成為一名現場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業客戶提供支援，並專注於工業乙太網領域。他在莫斯巴赫合作教育大學學習電氣工程，然後在康斯坦茨應用科學大學完成國際銷售研究生課程並獲得碩士學位。
Thomas Tzscheetzsch於2010年加入ADI公司，擔任高級現場應用工程師。從2010年到2012年，他負責德國中部的區域客戶群。自 2012 年以來，他一直在大客戶團隊工作，負責較小的客戶群。2017年重組后，他開始領導CE的IHC集群中的FAE團隊，擔任FAE經理。
在他職業生涯的開始，他在一家機械製造公司擔任電子工程師，從 1992 年到 1998 年擔任部門負責人。在哥廷根應用科學大學學習電氣工程后，他在馬克斯普朗克太陽系研究所擔任硬體設計工程師。從2004年到2010年，他擔任FAE分銷部門，在那裡他接觸到ADI公司的產品。
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