通过10BASE-T1L连接实现现场无缝以太网

作者：Maurice O'Brien and Volker Goller

10BASE-T1L 是新的以太网物理层标准 （IEEE 802.3cg-2019），于 2019 年 11 月 7 日在 IEEE 内获得批准。它将通过与现场级设备（传感器和执行器）的无缝以太网连接，显著提高工厂运营效率，从而极大地改变过程自动化行业。10BASE-T1L解决了迄今为止将以太网限制在过程自动化现场使用的挑战。这些挑战包括电源、带宽、布线、距离、数据孤岛和本质安全 0 区（危险区域）应用。通过解决棕地升级和新绿地安装的这些挑战，10BASE-T1L将实现以前无法获得的新见解，例如组合过程变量，辅助参数，资产运行状况反馈，并将其无缝传达给控制层和云。这些新见解将通过从现场到云的融合以太网网络，为数据分析、运营见解和生产力提高带来新的可能性。

为了在过程自动化应用中用以太网取代 4 mA 至 20 mA 或现场总线通信（基础现场总线或 PROFIBUS PA），需要通过屏蔽单双绞线电缆向传感器或执行器提供电源和数据。与更复杂的布线相比，单双绞线布线具有成本更低、尺寸更小且更易于安装的优点。过程自动化应用中现场级设备之间的距离一直是一个重大挑战，因为现有的工业以太网物理层技术被限制在100米以内。由于过程自动化应用需要长达 1 km 的距离，再加上需要适用于 Zone 0（本质安全）应用的超低功耗和坚固耐用的现场设备，因此需要一种新方法来实现用于过程自动化的以太网物理层技术。10BASE-T1L就是这种新方法。®

10BASE-T1L 内核功能是一种全双工、直流平衡、点对点通信方案，采用 PAM 3 调制，符号速率为 7.5 MBd，采用 4B3T 编码。它支持两种幅度模式：2.4 V 峰峰值（长达 1000 m 电缆）和 1.0 V 峰峰值（缩短距离）。1.0 V峰峰值幅度模式意味着这种新的物理层技术也可用于防爆（防爆）系统的环境，并满足严格的最大能量限制。它在 2 线技术上实现长传输距离，在单根双绞线电缆上提供电源和数据，属于单对以太网 （SPE） 介质系列。

10BASE-T1L可显著提高现场设备的功率输出;在 0 区（本质安全）应用中高达 500 mW。相比之下，4 mA至20 mA器件的功耗约为36 mW。在非本质安全应用中，根据所使用的电缆，最高可达 60 W 的功率。随着网络边缘的可用功率显著增加，可以启用具有增强特性和功能的新现场设备，因为4 mA至20 mA的功率限制和现场总线不再适用。例如，现在可以通过额外的功率实现更高性能的测量和增强的数据边缘处理。这将解锁有关过程变量的宝贵见解，这些见解现在可以通过在现场级设备（现场资产）上运行的Web服务器访问，并最终推动流程流和资产管理的改进和优化。

为了利用包含这些有价值的新见解的丰富数据集，需要更高带宽的通信链路，以在整个过程安装过程中将数据集从现场设备传送到工厂级基础设施或直至云进行处理。10BASE-T1L 消除了对复杂、耗电网关的需求，并实现了跨信息技术 （IT） 和运营技术 （OT） 网络的融合以太网网络。这种融合网络简化了安装，简化了设备更换，加快了网络调试和配置。这样可以加快软件更新速度，并简化根本原因分析和现场级设备的维护。

基于以太网的解决方案的优势

通过融合以太网作为整个企业、过程自动化中的控制和现场级通信方法，消除了对复杂且耗电网关的需求。这也实现了从极其分散的现场总线基础设施的过渡，该基础设施创建了数据孤岛，其中对现场级设备中的数据的访问受到限制。通过删除这些网关，这些旧安装的成本和复杂性显着降低，并消除了它们创建的数据孤岛。

迄今为止，过程自动化应用一直使用表1所示的传统通信标准，这些标准具有新的10BASE-T1L标准克服的几个限制。过程自动化中还存在知识库挑战。通过退休，技术人员和工程师将离开劳动力市场，并带走有关如何使用HART或现场总线通信系统部署，调试和维护4 mA至20 mA安装的详细知识。大学毕业生不熟悉这些传统技术，但非常熟悉基于以太网的技术，可以快速提升基于以太网的网络解决方案。®

 

比较	4 mA 至 20 mA，带 HART	现场总线	10底座-T1L
数据带宽	1.2 千字节	31.25 千字节	10 Mbps
更高级别以太网连接	复杂网关	复杂网关	无网关，无缝连接
仪器电源	<40毫瓦	功率有限	IS：500 mW 非 IS 高达 60 W（取决于电缆）
知识/专长	知识/专长的萎缩	知识/专长的萎缩	所有大学毕业生都非常熟悉以太网技术

 

以太网标准确保所有具有 10BASE-T1L 的更高协议层的工作方式与 10BASE-T、100BASE-TX 和 1000BASE-T 完全相同，从而消除了对复杂网关的需求。IEEE 802.3 是 ISO 7 层模型中所有物理层都针对以太网定义的地方：10BASE-T1L（参见图 2）。这意味着设备现在可以使用PROFINET，以太网®™/IP， HART/IP， OPC UA™或 MODBUS/TCP 并支持 MQTT 等物联网协议，它提供了一种简单而强大的方式将现场设备连接到云。以太网还可以实现简单、集中控制的软件更新，直至终端节点，从而实现更快的网络调试。®

图2.ISO 7 层模型中的 10BASE-T1L。

要与支持 10BASE-T1L 的设备通信，需要具有集成介质访问控制 （MAC） 的主机处理器、无源媒体转换器或具有 10BASE-T1L 端口的交换机。无需其他软件，无需自定义 TCP/IP 堆栈，也不需要特殊的驱动程序（参见图 3）。这为10BASE-T1L设备带来了明显的优势：

尽管连接 10BASE-T1L 需要媒体转换器，但它仅转换物理编码，而不转换以太网数据包的内容。从软件和通信协议的角度来看，它是透明的。

通过以太网连接，可以使用笔记本电脑或手机配置传感器，无论传感器是在桌面上还是部署在制造工厂中。例如，今天的温度变送器具有附加接口（例如，以USB的形式），以便能够配置转换器。根据制造商的不同，有超过 100 种调整选项。目前，这些参数根本无法通过4 mA至20 mA访问。HART允许访问，但由于成本原因通常不可用。因此，如果在桌面设置过程中出错，则需要在现场安装后重新配置4 mA至20 mA传感器。与10BASE-T1L连接的传感器可通过网络访问，并且可以随时随地进行远程更新。

4 mA至20 mA器件只能传输一个过程值。以太网不仅可以直接访问过程值，还可以直接访问所有设备参数，例如资产管理、生命周期管理、预测性维护、配置和参数化。

传感器变得越来越复杂，软件更新的可能性也在增加。现在，通过快速以太网连接，随时随地都可以在现实时间内做到这一点。

访问高级以太网网络诊断工具，简化根本原因分析。

图3.通过 10BASE-T1L PHY 进行现场级设备连接。

流程自动化布线和网络部署

在过程自动化中，与机器制造或工厂自动化不同，这些传感器和执行器（流量、液位、压力和温度）不靠近控制器。传感器和 I/O 之间的距离为 200 m 的情况并不少见，从那里开始，现场开关之间的距离可达 1000 m。过程自动化使用 A 型现场总线电缆，因为它目前已用于 PROFIBUS PA 和基础现场总线安装。

10BASE-T1L标准没有定义特定的传输介质（电缆）;相反，它定义了一个通道模型（回波损耗和插入损耗要求）。10BASE-T1L 通道型号非常适合现场总线 A 型电缆，因此一些已安装的 4 mA 至 20 mA 电缆可以与 10BASE-T1L 重复使用，为过程自动化装置的棕地升级创造了重要机会。

由于 10BASE-T1L 允许在长达约 200 m 的线路上将信号幅度电压降低到 1 V，因此 10BASE-T1L 可用于防爆系统环境，并以高达 500 mW 的功率满足危险区域的严格最大能量限制。

与4 mA至20 mA（500 mW与~36 mW）相比，功率显著增加，如今由于4 mA至20 mA功率有限而需要外部电源的4线器件现在可以替换为10BASE-T1L支持的2线器件，无需外部电源，从而为新器件提供了更大的安装灵活性。

图 4 显示了过程工业的拟议网络拓扑，称为干线和杂散网络拓扑。干线电缆最长可达 1 km，PHY 峰峰值幅度为 2.4 V，位于 1 区 2 分区。杂散电缆最长可达 200 m，PHY 峰峰值振幅为 1.0 V，位于 0 区 1 区。电源开关位于控制级别，提供以太网交换机功能，并为电缆供电（通过数据线）。现场开关位于危险区域的现场级别，由电缆供电。现场交换机提供以太网交换机功能，将杂散上的现场级设备连接到中继，并将电源传递到现场级设备。多个现场交换机连接在干线电缆上，以提供大量要连接到网络的现场级设备。

图4.适用于过程工业的 10BASE-T1L 网络拓扑。

现场开关可通过环形拓扑结构连接，以实现冗余。在边缘，对于以前限制在低于 30 kbps 的数据速率的大多数应用程序来说，高达 10 Mbps 是一项重大进步。由于以太网现在用于在现场连接终端节点设备，因此IT和OT已成功融合到无缝以太网中，从而可以从世界任何地方对任何终端节点设备进行IP寻址。

带 10BASE-T1L 的以太网 APL

Ethernet-APL（高级物理层）规定了以太网通信在过程工业传感器和执行器中的应用细节，并将在IEC下发布。它基于 10BASE-T1L 以太网物理层标准，并规定了在危险场所使用的实施和防爆方法。过程自动化领域的领先公司正在PROFIBUS和PROFINET International（PI），ODVA，Inc.和FieldComm Group的框架下合作，使Ethernet-APL跨工业以太网协议工作并加速其部署。®

过程自动化：向未来无缝以太网连接的过渡

与HART的4 mA至20 mA连接已在过程自动化应用中成功部署多年，是一种经过验证的强大解决方案，不会在一夜之间消失。支持HART的仪器现有4 mA至20 mA的大型安装基础，ADI公司正在投资软件可配置I/O，允许在任何引脚上访问任何工业I/O功能，从而为这些现有器件提供更大的安装灵活性，从而允许在远程I/O应用中随时配置通道。这意味着可以在安装时进行定制，从而加快上市时间，减少设计资源，并跨项目和客户广泛利用通用产品。ADI公司的软件可编程I/O电路示例包括AD74413和AD4110-1。

图 5 显示了从传统 4 mA 至 20 mA 连接仪器到棕地以太网的过渡，其中支持 10BASE-T1L 的新型仪器将与传统的 4 mA 至 20 mA 仪器共存。软件 可 配置 I/ O 连接 这些 传统 仪器， 其中 远程 I/ O 提供 聚合 点 到 PLC 的 10 Mb 以太网 上行链路。

图5.传统的离散布线将逐渐成为所有传感器和执行器的智能以太网网络。

采用10BASE-T1L技术，将在流程自动化中实现无缝的边缘到云连接。10BASE-T1L消除了对网关和I/O的需求，并实现了从现场设备到控制层并最终到云的以太网连接。解锁现场设备将产生用于高级数据分析的丰富数据集。

超越过程自动化的 10BASE-T1L 应用

10BASE-T1L 现在在楼宇自动化、工厂自动化、能源供应、监控、自来水和废水处理自动化以及电梯方面获得了巨大的吸引力。所有这些应用都要求在单根双绞线电缆上实现更高带宽、无缝以太网连接（无网关）到传感器。表 2 将 10BASE-T1L 与目前使用的现有有线技术进行了比较。应用示例包括用于楼宇自动化的RS-485和工厂自动化中使用的I/O链路。

 

协议	数据包格式	电缆长度	比特率	通过数据线供电	连接器	本质安全用例
普罗菲布斯 PA	UART/PROFIBUS	1200米	31.25 kbps，总线，半双工	是的	M12，端子螺钉	是的
Modbus RTU 和其他 RS-485 Profocols	UART/Modbus	1200 米（最高约 185 kbps，375 kb 时 300 米，500 kb 时，200 米）	通常为 19.2 kbps，总线，半双工	不	DB9， M12	不适用
I/O 链路	I/O 链路	20 米	最大 230.4 kbps，半双工	不	M12	不
4 mA 至 20 mA	模拟接口	>10公里	-/-	是，36 mW	螺 杆	是的
哈特	数字调制电流，电流为 4 mA 至 20 mA	>1500米	1200 bps，总线，半双工	是，36 mW	螺 杆	是的
10底座-T1L	以太网 IEEE 802.3	1000 m （2.4 V），最多 10 个接头（接线盒）	10 Mbit，全双工	是，高达 60 W 防爆区 0 高达 500 mW	端子螺钉或 IDC 连接器，可选单对以太网连接器	是的
		>200 米（1.0 V）

 

10BASE-T1L 器件可创建可操作的见解以推动流程优化

ADI公司的Chronous新增10BASE-T1L物理层产品™作为工业以太网解决方案组合，ADI将实现向现场到云连接的过程自动化装置的过渡，包括食品和饮料、制药以及石油和天然气装置的危险场所。新型10BASE-T1L物理层收发器ADIN1100将提供物理层接口，以释放以太网连接工厂的诸多优势。借助10BASE-T1L，以太网数据包无需网关即可从现场级移动到控制层，最终到达云端，从而实现工业4.0统一IT/OT网络的目标。由于可用的功率显著提高，可以利用ADI MAC PHY （ADIN1110）实现具有增强特性和功能的新型现场设备。每个现场级设备的透明 IP 寻址能力将大大简化 10BASE-T1L 连接仪器的安装、配置和维护。10BASE-T1L将解锁新的现场设备、丰富的云计算数据集和高级数据分析。通过从其流程中获取可操作的见解，工厂的运营效率将得到提高，从而加速未来更复杂的流程自动化生产设施的部署。

目前有哪些解决方案

ADI公司扩展了其ADI Chronous产品组合，为过程和楼宇自动化应用提供长距离、可靠的10BASE-T1L以太网连接。新的工业以太网解决方案在 两种灵活的选项：MAC PHY （ADIN1110） 和 PHY （ADIN1100）。ADIN1110支持业界功耗最低的系统设计，简化了现场仪表、传感器或执行器中的以太网改造，并保留了软件和处理器技术的现有投资。ADI独特的MAC-PHY技术为没有集成MAC的超低功耗处理器提供SPI接口，从而降低整体系统功耗。ADIN1100提供 标准以太网接口，支持用于更复杂的设计，如现场交换机开发。ADI公司的ADIN1100和ADIN1110 10BASE-T1L解决方案可在1.7公里长的单双绞线电缆上传输数据，并且功耗仅为 功率分别为 39 mW 和 43 mW。单对以太网供电 （SPoE） 或工程电源解决方案与 10BASE-T1L PHY 或 MAC-PHY 相结合，通过单根双绞线电缆提供电源和数据。

审核编辑：郭婷