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新的10BASE-T1L标准有哪些变化

发布时间:2022-03-01 来源:中国自动化网 类型:基础知识 人浏览
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连接器 10BASE-T1L

导读:

本文介绍了10BASE-T1L的基础知识,并展示了与选择各种应用适用连接器相关的产品。通过数据线实现各种互连设备的电力传输在10BASE-T1L中也发挥着至关重要的作用。

作者Thomas Brand,ADI高级现场应用工程师以  |  Thomas Tzscheetzsch,ADI高级现场技术主管

 

摘要

 

我们日常生活的许多方面,都离不开各种设备之间的数据通信。数字化和工业4.0带来的设备激增和数据量的急剧增加正在改变通信领域。   例如:过程自动化等领域需要使用集成网络,以支持工厂范围内的连接需求。我们必须从运营技术(OT)机器中提取并处理数据,然后将处理过的数据提供给公司层面的计算机系统(IT)进行进一步处理。由于之前的4 mA20 mA或现场总线应用在数据通信方面遇到了瓶颈,以太网开始成为通信标准。首先是新的以太网标准10BASE-T1L,一种2线以太网解决方案,线路长达1000米,传输速度为10 Mbps,同时支持PROFINETEthernet/IPOPC UAModbus-TCP等传输协议。利用这个标准,我们可以继续使用现有的2线布线,从而避免浪费我们的投资。

 

本文介绍了10BASE-T1L的基础知识,并展示了与选择各种应用适用连接器相关的产品。通过数据线实现各种互连设备的电力传输在10BASE-T1L中也发挥着至关重要的作用。

 

简介

 

数据通信不仅在工业领域,在过程自动化领域也发挥着越来越重要的作用。之前的4 mA20 mA或现场总线应用由于数据量的激增也开始遇到瓶颈,因此以太网开始成为通信标准。标准的4线以太网解决方案已发展为2线解决方案,我们称之为10BASE-T1L,该解决方案由单对双绞线或单对以太网(SPE)组成。10BASE-T1L位于物理层之上,兼容现有的100 Mbps1000 Mbps工业以太网技术,因此可作为一种补充。

 

10BASE-T1L开始标准化尤其是在过程自动化领域并且有可能在该领域带来翻天覆地的变化。目前,该领域的传感器和执行器通常都是通过4 mA20 mA模拟接口或现场总线进行连接。与机械工程或工厂自动化不同,过程自动化的传感器和执行器通常与控制系统或远程I/O系统有一定距离。常见的距离为200-1000米或更远。

 

但是10BASE-T1L到底是什么,这种技术具有什么优势,它为什么会成为新标准?

 

我们将在后续部分回答这些问题。

 

10BASE-T1L意味着什么

 

10BASE-T1L这个名字大致解释了其含义。这里使用了电气与电子工程师协会(IEEE)缩写。

 

介质类型中的“10”是指10 Mbps传输速率。“BASE”是指基带信号,即只有以太网信号才能通过介质传输。“T”代表双绞线。数字“1”代表1 km范围。在这种情况下,后面跟着的“L”代表长距离,意味着段长可能为1 km甚至更长。

 

此外,还存在其他网络技术,如10BASE-2(最大段长为185 m的较细同轴电缆)、10BASE-5(最大段长为500 m的较粗同轴电缆)、10BASE-F(光缆)或10BASE-36(具有多个基带通道,且最大段长为3600 m的宽带同轴电缆)。

 

10BASE-T1L可分类至OSI模型的哪一层

 

10BASE-T1L可使用现有的2线基础设施线路长度高达1000 m传输速度为10 Mbps。物理以太网技术仅在开放系统互连(OSI)模型的第1层(位传输层或物理层)定义。10BASE-T1L在位传输层之上,支持常用以太网协议(如PROFINETModbus等)以及楼宇管理系统中常用的其他总线系统(如BACnetKNXLON)。表1为模型层及协议和总线系统概览。

 

10BASE-T1L可利用第1层的特殊以太网PHY实现。以太网帧通过介质无关接口(MII)、简化MII (RMII)或简化千兆MII (RGMII)MACPHY之间传输。

 

MAC由以太网标准IEEE 802.3定义,在数据链路层(第2层)中实现。PHY构成物理接口,并负责传输介质和数字系统之间数据的编码和解码。

 

10BASE-T1L可与哪些设备和机器一起使用?现有基础设施可以在多大程度上与其一起使用?

 

10BASE-T1L设计用于在许多(如果不是大多数)过程自动化应用中取代4 mA20 mA标准化信号。然而,这并不意味着通过4 mA20 mA电流环路连接的旧款现场仪表必须更换为支持10BASE-T1L的现场仪表。这些传统设备可通过软件可配置I/O (SWIO)模块进行连接,而远程I/O则用作通过10 Mbps以太网上行链路与PLC连接的采集点。

 

软件可配置I/O模块具有可重新配置的模块通道,允许模块快速、轻松地远程运行,无需大量重新配线。通道可配置为电流和电压的输入或输出,或数字和模拟的输入或输出。

 

在某些情况下,需要通过10BASE-T1L为设备供电以及传输设备数据,这被定义为标准的一部分。图1显示了通过4 mA20 mA电流环路连接的传统现场仪表和支持10BASE-T1L的新型现场仪表的混合示例。

 

1OSI模型及其协议和总线系统概览

10BASE-T1L,连接器

10BASE-T1L,连接器

1.采用传统现场仪表和支持10BASE-T1L的现场仪表的架构示例

 

10BASE-T1L支持两种幅度模式:电缆长度不超过1000 m2.4 V,电缆长度不超过200 m1 V。通过采用1.0 V的峰-峰幅度模式,该技术还可以用于防爆环境(危险区域),并满足防爆环境严格的最大能耗要求。

 

根据行业联盟的规定,高级物理层(APL)基于10BASE-T1L标准构建,同时定义了过程自动化的本质安全操作。

 

同样,Ethernet-APL支持向使用现场至云端连接的无缝过程自动化设备过渡,包括食品和饮料、制药以及石油和天然气行业中存在潜在爆炸性气体环境的区域。此外,APL还定义了通过单条双绞线线路传输的电源供应等级。

 

10BASE-T1L未定义具体的传输介质(电缆)。只规定了电缆的回波损耗和插入损耗要求。现场总线Type A电缆为可选电缆。这允许重复使用现有的PROFIBUS或基金会现场总线布线。10BASE-T1L可通过长达1000 m的电缆与一对平衡导体一起使用,且不会出现任何问题。然而,在嘈杂的工业环境中,需要使用屏蔽电缆(如Type A电缆),同时使用连接器、螺丝端子或穿孔板(punch-down block)。一些10BASE-T1L交换芯片具有集成诊断功能,可检查电缆信号质量。因此,10BASE-T1L是一项非常可靠的通信技术,即使是将电线混在一起使用也不会出现问题。

 

10BASE-T1L具有什么优势

 

传统4 mA20 mAHART®和现场总线设备的数据带宽有限,只有几个kbps。利用10BASET1L,可实现10 Mbps的传输速度。这样,不仅可以传输过程值,还可以传输其他设备参数,如配置和参数化信息。未来,可以相对快速地进行日益复杂的传感器软件更新,以及故障和网络诊断(如传感器线路短路)。由于10BASE-T1L不再需要使用网关和变换器,配置也更简单。通过消除网关,可大大降低这些旧设备的成本和复杂性,并且可以清除这些设备产生的数据孤岛。

 

此外,还可以通过数据线路传输更大功率。例如:在本质安全区域(危险区域)可传输500 mW功率,在非本质安全区域甚至可传输高达60 W功率。

 

以太网标准PROFINETEtherNet/IPHART-IPOPC UAModbus-TCP和物联网协议MQTT可实现现场设备至云端的简单而强大的连接。

 

10BASE-T1L是否能够与交换模块一起使用

 

与标准以太网一样,使用10BASE-T1L时,会有支持各种网段和设备耦合的网桥。可实现不同的网络拓扑结构,并用于向连接的设备供电。在过程自动化领域,交换机通常连接至控制器、HMI和云端。交换机允许环形拓扑结构形式的介质冗余,以提高可用性。

 

在过程自动化领域,与设备、传感器和执行器的连接亦称为支线,而交换机之间的连接以及至控制系统的连接则称为干线。

 

设备集成密度的不断增加还可以实现其他可能性。例如10BASE-T1L交换机可集成到传感器中而该传感器可直接连接至亦由该交换机供电的其他传感器。图2显示不同交换机的互连示例。

10BASE-T1L,连接器 

2.交换机互连示例图

 

可通过主机处理器实现与支持10BASE-T1L的设备通信。通常需要集成式MAC功能、无源介质转换器或带有10BASE-T1L端口的交换机。

 

2过程自动化中的不同通信技术概述

 

具有HART4 mA20 mA

现场总线

10BASE-T1L

数据带宽

1.2 kbps

31.25 kbps

10 Mbps

连接至更高级别的以太网网络

复杂的网关

复杂的网关

无缝连接,无网关

仪表电源供应

<40 mW

有限

本质安全:500 mW;非本质安全:
高达60 W(取决于电缆)

专业技能/专业知识

专业技能/专业知识需求较少

专业技能/专业知识需求较少

大学毕业生非常熟悉
以太网

 

我可以通过双线实现设备供电吗?

 

10BASE-T1L标准不仅提供传感器和执行器的数据通信功能,而且还提供通过信号线路供电功能。具体来说,10BASE-T1L可以在非本质安全区域提供高达60 W的功率。在防爆(本质安全)区域,功率限制为500 mW;在这种情况下,信号幅度也从标准应用的2.4 V减少到1 V,以符合适用于该区域的最大能量的严格要求。然而,在本质安全区域,只能缩短传输距离。

 

3概述了在不同线路长度和区域,Type 18 AWG电缆可能的电力传输水平。

 

3不同电缆长度(Type 18 AWG)的电力传输水平概览

 

 

55 V

24 V

1000 m

7.7 W

1.23 W

400 m

20 W

3.2 W

150 m

52 W

8.3 W

 

结论

10BASE-T1L为过程自动化提供了一个相对可靠的通信标准,与传统的4 mA20 mA应用相比具有许多优势,包括重复使用现有基础设施的可能性。

作者简介

Thomas Brand2015年加入德国慕尼黑的ADI公司当时他还在攻读硕士。毕业后,他参加了ADI公司的培训生项目。2017年,他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持,并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业,之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。联系方式thomas.brand@analog.com

 

Thomas Tzscheetzsch2010年加入ADI公司,担任高级现场应用工程师。2010年至2012年,他负责德国中部地区的客户群。自2012年以来,他任职于关键客户团队,为关键客户提供支持服务。2017年重组后,他开始负责中欧国家IHC市场的FAE团队,担任FAE经理。

 

在职业生涯的最初阶段他于1992年至1998年在一家机械制造公司任电子工程师担任部门负责人。在哥廷根应用科学大学完成电气工程学习后,他任职于Max Planck研究院从事太阳能系统研究工作,担任硬件设计工程师。2004年至2010年,他任职于经销商的现场应用工程师,也就是在那里接触到ADI公司的产品。联系方式:thomas.tzscheetzsch@analog.com

 

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