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,在過程自動化等領(lǐng)域,需要支持整個工廠連接的集成網(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,然后提供給公司級別(IT)的計算機(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,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,由單對雙絞線或單對以太網(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)場總線連接。在過程自動化中,與機(jī)械工程或工廠自動化不同,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,這項技術(shù)有什么優(yōu)勢,為什么它是一個新標(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 (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,這意味著只有以太網(wǎng)信號可以通過介質(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“L”表示“長距離”,這意味著段長度為 1 公里或更長是可能的。
還有其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù),如10BASE-2(最大段長為185米的細(xì)同軸電纜)、10BASE-5(最大段長為500米的粗同軸電纜)、10BASE-F(光纖電纜)或10BASE-36(具有多個基帶信道的寬帶同軸電纜,最大段長度為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的傳輸速度實現(xiàn)長達(dá)1000米的線路長度。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。
OSI 模型層 | 百信網(wǎng) | 莫德布斯 | KNX | 離子 | |
主機(jī)層 |
7 |應(yīng)用 | 百匯網(wǎng)應(yīng)用層 | 莫德布斯 | KNX |
離子 |
6 |介紹 | — | ||||
5 |會期 |
— | ||||
4 |運(yùn)輸 |
UDP (BACnet/IP), TCP (BACnet/SC) | 技術(shù)合作計劃(TCP |
技術(shù)合作計劃(TCP |
||
媒體層 | 3 |網(wǎng)絡(luò) | 百匯網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層 | IP, ARP, RARP | 知識產(chǎn)權(quán) | |
2 |數(shù)據(jù)鏈路 | ISO 8802 (IEEE 802.3) | ||||
1 |物理的 | 屏蔽或非屏蔽單雙絞線 (IEEE 802.3cg) |
10BASE-T1L 在第 1 層的特殊以太網(wǎng) PHY 的幫助下實現(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)中實現(xiàn)。PHY形成物理接口,負(fù)責(zé)對傳輸介質(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)計用于在許多(如果不是大多數(shù))過程自動化應(yīng)用中取代 4 mA 至 20 mA 標(biāo)準(zhǔn)化信號。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)場儀表必須替換為支持10BASE-T1L的現(xiàn)場儀表。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 用于長達(dá) 1000 m 的電纜,1 V 用于長達(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(危險區(qū)域),并滿足那里適用的嚴(yán)格最大能耗要求。
一個行業(yè)聯(lián)盟指定了高級物理層(APL),它建立在10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)之上,定義了過程自動化的本質(zhì)安全操作。
Ethernet-APL 同樣支持通過現(xiàn)場到云連接過渡到無縫過程自動化安裝,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。
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)場總線電纜。10BASE-T1L 在長達(dá) 1000 m 的電纜長度上與一對平衡的導(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造成問題。
10BASE-T1L有哪些優(yōu)勢?
傳統(tǒng)的4 mA至20 mAHART和現(xiàn)場總線器件的數(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)線相對快速地執(zhí)行。配置也更容易,因為 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,可以實現(xiàn)現(xiàn)場設(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。可以實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒂糜跒檫B接的設(shè)備供電。在過程自動化中,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)湫问綄崿F(xiàn)介質(zhì)冗余,以提高可用性。
在過程自動化中,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)。
4 mA 至 20 mA,帶 HART | 現(xiàn)場總線 | 10底座-T1L | |
數(shù)據(jù)帶寬 | 1.2 千字節(jié) | 31.25 千字節(jié) | 10 Mbps |
連接到更高級別的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò) | 復(fù)雜網(wǎng)關(guān) | 復(fù)雜網(wǎng)關(guān) | 無需網(wǎng)關(guān)的無縫連接 |
儀器電源供應(yīng) | <40毫瓦 | 有限 |
本質(zhì)安全:500 mW;非本質(zhì)安全: 高達(dá) 60 W(取決于電纜) |
訣竅/專長 | 專有技術(shù)/專業(yè)技能縮減 | 專有技術(shù)/專業(yè)技能縮減 | 大學(xué)畢業(yè)生對以太網(wǎng)非常熟悉 |
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 電纜的各種線路長度和區(qū)域的可能電力傳輸水平。
55 V | 25 瓦 | |
1000米 | 7.7 瓦 | 1.23 瓦 |
400米 | 20 瓦 | 3.2 瓦 |
150米 | 52 瓦 | 8.3 瓦 |
結(jié)論
10BASE-T1L為過程自動化提供了相對強(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,包括可重用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。
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