通過10BASE-T1L連接實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無縫以太網(wǎng)

作者：Maurice O'Brien and Volker Goller

10BASE-T1L 是新的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn) （IEEE 802.3cg-2019），于 2019 年 11 月 7 日在 IEEE 內(nèi)獲得批準(zhǔn)。它將通過與現(xiàn)場級設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）的無縫以太網(wǎng)連接，顯著提高工廠運(yùn)營效率，從而極大地改變過程自動化行業(yè)。10BASE-T1L解決了迄今為止將以太網(wǎng)限制在過程自動化現(xiàn)場使用的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括電源、帶寬、布線、距離、數(shù)據(jù)孤島和本質(zhì)安全 0 區(qū)（危險區(qū)域）應(yīng)用。通過解決棕地升級和新綠地安裝的這些挑戰(zhàn)，10BASE-T1L將實(shí)現(xiàn)以前無法獲得的新見解，例如組合過程變量，輔助參數(shù)，資產(chǎn)運(yùn)行狀況反饋，并將其無縫傳達(dá)給控制層和云。這些新見解將通過從現(xiàn)場到云的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)分析、運(yùn)營見解和生產(chǎn)力提高帶來新的可能性。

為了在過程自動化應(yīng)用中用以太網(wǎng)取代 4 mA 至 20 mA 或現(xiàn)場總線通信（基礎(chǔ)現(xiàn)場總線或 PROFIBUS PA），需要通過屏蔽單雙絞線電纜向傳感器或執(zhí)行器提供電源和數(shù)據(jù)。與更復(fù)雜的布線相比，單雙絞線布線具有成本更低、尺寸更小且更易于安裝的優(yōu)點(diǎn)。過程自動化應(yīng)用中現(xiàn)場級設(shè)備之間的距離一直是一個重大挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)物理層技術(shù)被限制在100米以內(nèi)。由于過程自動化應(yīng)用需要長達(dá) 1 km 的距離，再加上需要適用于 Zone 0（本質(zhì)安全）應(yīng)用的超低功耗和堅(jiān)固耐用的現(xiàn)場設(shè)備，因此需要一種新方法來實(shí)現(xiàn)用于過程自動化的以太網(wǎng)物理層技術(shù)。10BASE-T1L就是這種新方法。?

10BASE-T1L 內(nèi)核功能是一種全雙工、直流平衡、點(diǎn)對點(diǎn)通信方案，采用 PAM 3 調(diào)制，符號速率為 7.5 MBd，采用 4B3T 編碼。它支持兩種幅度模式：2.4 V 峰峰值（長達(dá) 1000 m 電纜）和 1.0 V 峰峰值（縮短距離）。1.0 V峰峰值幅度模式意味著這種新的物理層技術(shù)也可用于防爆（防爆）系統(tǒng)的環(huán)境，并滿足嚴(yán)格的最大能量限制。它在 2 線技術(shù)上實(shí)現(xiàn)長傳輸距離，在單根雙絞線電纜上提供電源和數(shù)據(jù)，屬于單對以太網(wǎng) （SPE） 介質(zhì)系列。

10BASE-T1L可顯著提高現(xiàn)場設(shè)備的功率輸出;在 0 區(qū)（本質(zhì)安全）應(yīng)用中高達(dá) 500 mW。相比之下，4 mA至20 mA器件的功耗約為36 mW。在非本質(zhì)安全應(yīng)用中，根據(jù)所使用的電纜，最高可達(dá) 60 W 的功率。隨著網(wǎng)絡(luò)邊緣的可用功率顯著增加，可以啟用具有增強(qiáng)特性和功能的新現(xiàn)場設(shè)備，因?yàn)? mA至20 mA的功率限制和現(xiàn)場總線不再適用。例如，現(xiàn)在可以通過額外的功率實(shí)現(xiàn)更高性能的測量和增強(qiáng)的數(shù)據(jù)邊緣處理。這將解鎖有關(guān)過程變量的寶貴見解，這些見解現(xiàn)在可以通過在現(xiàn)場級設(shè)備（現(xiàn)場資產(chǎn)）上運(yùn)行的Web服務(wù)器訪問，并最終推動流程流和資產(chǎn)管理的改進(jìn)和優(yōu)化。

為了利用包含這些有價值的新見解的豐富數(shù)據(jù)集，需要更高帶寬的通信鏈路，以在整個過程安裝過程中將數(shù)據(jù)集從現(xiàn)場設(shè)備傳送到工廠級基礎(chǔ)設(shè)施或直至云進(jìn)行處理。10BASE-T1L 消除了對復(fù)雜、耗電網(wǎng)關(guān)的需求，并實(shí)現(xiàn)了跨信息技術(shù) （IT） 和運(yùn)營技術(shù) （OT） 網(wǎng)絡(luò)的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這種融合網(wǎng)絡(luò)簡化了安裝，簡化了設(shè)備更換，加快了網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和配置。這樣可以加快軟件更新速度，并簡化根本原因分析和現(xiàn)場級設(shè)備的維護(hù)。

基于以太網(wǎng)的解決方案的優(yōu)勢

通過融合以太網(wǎng)作為整個企業(yè)、過程自動化中的控制和現(xiàn)場級通信方法，消除了對復(fù)雜且耗電網(wǎng)關(guān)的需求。這也實(shí)現(xiàn)了從極其分散的現(xiàn)場總線基礎(chǔ)設(shè)施的過渡，該基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)建了數(shù)據(jù)孤島，其中對現(xiàn)場級設(shè)備中的數(shù)據(jù)的訪問受到限制。通過刪除這些網(wǎng)關(guān)，這些舊安裝的成本和復(fù)雜性顯著降低，并消除了它們創(chuàng)建的數(shù)據(jù)孤島。

迄今為止，過程自動化應(yīng)用一直使用表1所示的傳統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)具有新的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)克服的幾個限制。過程自動化中還存在知識庫挑戰(zhàn)。通過退休，技術(shù)人員和工程師將離開勞動力市場，并帶走有關(guān)如何使用HART或現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)部署，調(diào)試和維護(hù)4 mA至20 mA安裝的詳細(xì)知識。大學(xué)畢業(yè)生不熟悉這些傳統(tǒng)技術(shù)，但非常熟悉基于以太網(wǎng)的技術(shù)，可以快速提升基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)解決方案。?

以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)確保所有具有 10BASE-T1L 的更高協(xié)議層的工作方式與 10BASE-T、100BASE-TX 和 1000BASE-T 完全相同，從而消除了對復(fù)雜網(wǎng)關(guān)的需求。IEEE 802.3 是 ISO 7 層模型中所有物理層都針對以太網(wǎng)定義的地方：10BASE-T1L（參見圖 2）。這意味著設(shè)備現(xiàn)在可以使用PROFINET，以太網(wǎng)??/IP， HART/IP， OPC UA?或 MODBUS/TCP 并支持 MQTT 等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，它提供了一種簡單而強(qiáng)大的方式將現(xiàn)場設(shè)備連接到云。以太網(wǎng)還可以實(shí)現(xiàn)簡單、集中控制的軟件更新，直至終端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更快的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。?

圖2.ISO 7 層模型中的 10BASE-T1L。

要與支持 10BASE-T1L 的設(shè)備通信，需要具有集成介質(zhì)訪問控制 （MAC） 的主機(jī)處理器、無源媒體轉(zhuǎn)換器或具有 10BASE-T1L 端口的交換機(jī)。無需其他軟件，無需自定義 TCP/IP 堆棧，也不需要特殊的驅(qū)動程序（參見圖 3）。這為10BASE-T1L設(shè)備帶來了明顯的優(yōu)勢：

盡管連接 10BASE-T1L 需要媒體轉(zhuǎn)換器，但它僅轉(zhuǎn)換物理編碼，而不轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。從軟件和通信協(xié)議的角度來看，它是透明的。

通過以太網(wǎng)連接，可以使用筆記本電腦或手機(jī)配置傳感器，無論傳感器是在桌面上還是部署在制造工廠中。例如，今天的溫度變送器具有附加接口（例如，以USB的形式），以便能夠配置轉(zhuǎn)換器。根據(jù)制造商的不同，有超過 100 種調(diào)整選項(xiàng)。目前，這些參數(shù)根本無法通過4 mA至20 mA訪問。HART允許訪問，但由于成本原因通常不可用。因此，如果在桌面設(shè)置過程中出錯，則需要在現(xiàn)場安裝后重新配置4 mA至20 mA傳感器。與10BASE-T1L連接的傳感器可通過網(wǎng)絡(luò)訪問，并且可以隨時隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程更新。

4 mA至20 mA器件只能傳輸一個過程值。以太網(wǎng)不僅可以直接訪問過程值，還可以直接訪問所有設(shè)備參數(shù)，例如資產(chǎn)管理、生命周期管理、預(yù)測性維護(hù)、配置和參數(shù)化。

傳感器變得越來越復(fù)雜，軟件更新的可能性也在增加。現(xiàn)在，通過快速以太網(wǎng)連接，隨時隨地都可以在現(xiàn)實(shí)時間內(nèi)做到這一點(diǎn)。

訪問高級以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)診斷工具，簡化根本原因分析。

圖3.通過 10BASE-T1L PHY 進(jìn)行現(xiàn)場級設(shè)備連接。

流程自動化布線和網(wǎng)絡(luò)部署

在過程自動化中，與機(jī)器制造或工廠自動化不同，這些傳感器和執(zhí)行器（流量、液位、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 的情況并不少見，從那里開始，現(xiàn)場開關(guān)之間的距離可達(dá) 1000 m。過程自動化使用 A 型現(xiàn)場總線電纜，因?yàn)樗壳耙延糜?PROFIBUS PA 和基礎(chǔ)現(xiàn)場總線安裝。

10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)沒有定義特定的傳輸介質(zhì)（電纜）;相反，它定義了一個通道模型（回波損耗和插入損耗要求）。10BASE-T1L 通道型號非常適合現(xiàn)場總線 A 型電纜，因此一些已安裝的 4 mA 至 20 mA 電纜可以與 10BASE-T1L 重復(fù)使用，為過程自動化裝置的棕地升級創(chuàng)造了重要機(jī)會。

由于 10BASE-T1L 允許在長達(dá)約 200 m 的線路上將信號幅度電壓降低到 1 V，因此 10BASE-T1L 可用于防爆系統(tǒng)環(huán)境，并以高達(dá) 500 mW 的功率滿足危險區(qū)域的嚴(yán)格最大能量限制。

與4 mA至20 mA（500 mW與~36 mW）相比，功率顯著增加，如今由于4 mA至20 mA功率有限而需要外部電源的4線器件現(xiàn)在可以替換為10BASE-T1L支持的2線器件，無需外部電源，從而為新器件提供了更大的安裝靈活性。

圖 4 顯示了過程工業(yè)的擬議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌Q為干線和雜散網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。干線電纜最長可達(dá) 1 km，PHY 峰峰值幅度為 2.4 V，位于 1 區(qū) 2 分區(qū)。雜散電纜最長可達(dá) 200 m，PHY 峰峰值振幅為 1.0 V，位于 0 區(qū) 1 區(qū)。電源開關(guān)位于控制級別，提供以太網(wǎng)交換機(jī)功能，并為電纜供電（通過數(shù)據(jù)線）?，F(xiàn)場開關(guān)位于危險區(qū)域的現(xiàn)場級別，由電纜供電?，F(xiàn)場交換機(jī)提供以太網(wǎng)交換機(jī)功能，將雜散上的現(xiàn)場級設(shè)備連接到中繼，并將電源傳遞到現(xiàn)場級設(shè)備。多個現(xiàn)場交換機(jī)連接在干線電纜上，以提供大量要連接到網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場級設(shè)備。

圖4.適用于過程工業(yè)的 10BASE-T1L 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/strong>