10BASE-T1L是在2019年11月7日經過IEEE認證的新以太網(wǎng)物理層標準（IEEE 802.3cg-2019）,。這將通過與現(xiàn)場級器件（傳感器和執(zhí)行器）的無縫以太網(wǎng)連接顯著提高工廠運營效率,，徹底變革過程自動化行業(yè),。10BASE-T1L解決了至今為止一直限制在過程自動化中使用現(xiàn)場以太網(wǎng)的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括功率,、帶寬、布線,、距離,、數(shù)據(jù)島以及本質安全0區(qū)（危險區(qū)域）應用。通過為棕地升級和新綠地安裝解決這些挑戰(zhàn),，10BASE-T1L將有助于獲得以前無法獲取的新見解,，如組合過程變量、二次參數(shù),、資產健康反饋,，并將它們無縫傳達至控制層及云端,。這些新的見解將通過從現(xiàn)場到云的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡，讓數(shù)據(jù)分析,、運營見解和生產力提高成為可能,。

　　圖1.與過程自動化現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器的無縫以太網(wǎng)連接。

　　要在過程自動化應用中用以太網(wǎng)替換4 mA至20 mA器件或現(xiàn)場總線通信（Foundation Fieldbus或PROFIBUS? Pa）,，需要通過單條屏蔽雙絞線向傳感器或執(zhí)行器同時提供功率和數(shù)據(jù),。與更復雜的布線相比，單條雙絞線布線的優(yōu)點是成本更低,，尺寸更小,，安裝更方便。在過程自動化應用中,，現(xiàn)場級器件之間的距離一直是限制在100 m內的現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)物理層技術的巨大挑戰(zhàn),。由于過程自動化應用需要長達1 km的距離，并且需要適用于0區(qū)（本質安全）應用的低功率且可靠的現(xiàn)場器件,，因此過程自動化需要一種實現(xiàn)以太網(wǎng)物理層技術的新方法,。而10BASE-T1L就是這個新方法。

　　10BASE-T1L核心功能是全雙工,、直流平衡,、點對點通信方案，且在7.5 MBd碼元速率和4B3T編碼下采用PAM 3調制,。它支持兩個幅度模式：長達1000 m電纜的2.4 V峰峰值和更短距離下的1.0 V峰峰值,。1.0 V峰峰值幅度模式是指，這項新的物理層技術也可在防爆系統(tǒng)環(huán)境中使用,，并符合嚴格的最大能源限制,。它可通過雙絞線技術實現(xiàn)較長的傳輸距離，且在單條雙絞線上同時傳輸功率和數(shù)據(jù),，屬于單對以太網(wǎng)（SPE）介質系列,。

　　10BASE-T1L支持為現(xiàn)場器件傳輸很高的功率；0區(qū)（本質安全）應用中高達500 mW,。與此相比,，使用4 mA至20 mA器件約為36 mW。在非本質安全應用中,，根據(jù)所用電纜的不同,，功率可高達60 W。由于在網(wǎng)絡邊緣有更高的功率可用,，因此可使能具有增強特性和功能的新現(xiàn)場器件,，原因在于4 mA至20 mA器件的功率限制和現(xiàn)場總線不再適用。例如，現(xiàn)在通過額外的功率,，可以測量更高的性能,，增強對數(shù)據(jù)的邊緣處理。這將發(fā)掘有關過程變量的寶貴見解,，過程變量現(xiàn)在可以通過在現(xiàn)場級器件（現(xiàn)場資產）上運行的Web服務器訪問,，最終推動過程流和資產管理的改進和優(yōu)化。

　　要利用包含這些寶貴新見解的豐富數(shù)據(jù)集,，需要更高帶寬的通信鏈路,，將跨過程安裝的現(xiàn)場器件的數(shù)據(jù)集傳輸至工廠級基礎設施或云端進行處理。而10BASE-T1L無需耗電量大的復雜網(wǎng)關,，可跨信息技術（IT）和操作技術（OT）網(wǎng)絡使能融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡,。通過此融合網(wǎng)絡，可簡化安裝和器件更換,，加快網(wǎng)絡調試和配置。最終將加快軟件更新,，簡化根本原因分析和現(xiàn)場級器件維護,。

　　以太網(wǎng)解決方案的優(yōu)勢

　　通過融合以太網(wǎng)作為過程自動化中跨企業(yè)、控制和現(xiàn)場級別的通信方法,，不再需要耗電量大的復雜網(wǎng)關,。這也實現(xiàn)了從極為分散的現(xiàn)場總線基礎設施的過渡，該基礎設施創(chuàng)建了訪問現(xiàn)場級器件內部數(shù)據(jù)受限的數(shù)據(jù)島,。通過移除這些網(wǎng)關,，顯著降低了這些傳統(tǒng)設備的安裝成本和復雜性，并消除了其所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)島,。

　　迄今為止,，過程自動化應用一直使用表1中所示的傳統(tǒng)通信標準，而新的10BASE-T1L標準克服了它的多個局限性,。過程自動化中還存在一個知識庫挑戰(zhàn),。技術人員和工程師退休后，帶走了具有HART?的4 mA至20 mA器件或現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)的部署,、調試和安裝維護方式的詳細知識,。而大學畢業(yè)生對這些傳統(tǒng)技術不熟悉，但很熟悉基于以太網(wǎng)的技術,，可快速部署基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡解決方案,。

　　表1.具有HART的4 mA至20 mA器件、現(xiàn)場總線和10BASE-T1L的比較情況

以太網(wǎng)標準可確保采用10BASE-T1L的所有較高協(xié)議層的工作方式完全與10BASE-T,、100BASE-TX和1000BASE-T相同,，因此無需使用復雜的網(wǎng)關。在IEEE 802.3中，為以太網(wǎng)：10BASE-T1L定義了ISO 7層模型中的所有物理層（請參見圖2）,。這意味著,，器件現(xiàn)在可以使用PROFINET?、EtherNetTM/IP,、HART/IP,、OPC UATM或MODBUS?/TCP并支持MQTT等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，這提供了一種將現(xiàn)場器件連接到云的簡單而強大的方式,。通過以太網(wǎng),，還可簡單地以集中控制的方式將軟件更新至終端節(jié)點，從而加快網(wǎng)絡調試,。

　　圖2.ISO 7層模型中的10BASE-T1L

　　要與支持10BASE-T1L的器件通信,，需要具有集成介質訪問控制（MAC）的主機處理器、無源介質轉換器或具有10BASE-T1L端口的交換機,。無需其他軟件,、自定義TCP/IP堆棧和特殊驅動程序（請參見圖3）。這就使10BASE-T1L器件具有明顯優(yōu)勢：

　　▲盡管連接10BASE-T1L需要介質轉換器,，但只轉換物理編碼,，不轉換以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的內容。從軟件和通信協(xié)議角度來看,，它是透明的,。

　　▲通過以太網(wǎng)連接，無論傳感器在桌面上還是部署在制造工廠,，均可在筆記本電腦或手機上配置,。例如，目前的溫度傳感器有一個額外的接口（例如,，USB接口）,，以便能夠配置轉換器。根據(jù)制造商的不同,，調整選項超過100個,。這些參數(shù)目前無法通過4 mA至20 mA器件訪問。HART允許訪問,，但通常太昂貴,。因此，如果在桌面安裝過程中出錯,，4 mA至20 mA傳感器將需要在現(xiàn)場安裝后重新配置,。通過10BASE-T1L連接的傳感器可通過網(wǎng)絡訪問，并可隨時隨地遠程更新,。

　　▲4 mA至20 mA器件僅可傳輸一個過程值,。通過以太網(wǎng),，不僅能夠直接訪問過程值，而且能夠直接訪問所有器件參數(shù),，如資產管理,、生命周期管理、預測性維護,、配置和參數(shù)化,。

　　圖3.采用10BASE-T1L PHY的現(xiàn)場級器件連接。

　　▲傳感器變得越來越復雜,，軟件也更有可能更新?，F(xiàn)在，通過快速以太網(wǎng)連接,，可在現(xiàn)實時間段內隨時隨地做到這一點,。

　　▲訪問高級以太網(wǎng)網(wǎng)絡診斷工具簡化根本原因分析。

　　過程自動化布線和網(wǎng)絡部署

　　在過程自動化中,，不像在機器制造或工廠自動化中,，這些傳感器和執(zhí)行器（流量、電平,、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并不少見，而從那里到場開關之間的距離可長達1000 m,。過程自動化使用A型現(xiàn)場總線電纜，因為它目前已經用于PROFIBUS PA和Foundation Fieldbus安裝,。

　　10BASE-T1L標準不定義特定傳輸介質（電纜）,；而定義通道模型（回波損耗和插入損耗要求）。10BASE-T1L通道模型很適合現(xiàn)場總線A型電纜,，因此一些已安裝的4 mA至20 mA電纜可與10BASE-T1L一起重用,，從而為過程自動化安裝的棕地升級創(chuàng)造巨大的機會。

　　由于10BASE-T1L允許信號幅度電壓在長達約200 m的線路上降低到1 V,，因此10BASE-T1L可用于防爆系統(tǒng)環(huán)境中,，并符合高達500 mW功率的危險區(qū)域的嚴格最大能源限制。

　　由于與4 mA至20 mA相比功率顯著增加（500 mW相比~36 mW）,，如今因4 mA至20 mA的有限功率而需要外部電源的4線器件,，現(xiàn)可被支持10BASE-T1L的2線器件替代，2線器件無需外部電源,，因此提高了新器件安裝的靈活性,。

　　圖4顯示過程工業(yè)的建議網(wǎng)絡拓撲，稱為干線和支線網(wǎng)絡拓撲,。干線電纜可長達1 km,，其PHY峰峰值幅度為2.4 V,，位于1區(qū)、2分區(qū),。支線電纜可長達200 m,，其PHY峰峰值幅度為1.0 V，位于0區(qū),、1分區(qū),。電源開關位于控制級，提供以太網(wǎng)交換機功能,，并向電纜供電（通過數(shù)據(jù)線）,。場開關位于危險區(qū)域的現(xiàn)場級，由電纜供電,。場開關提供將支線電纜上的現(xiàn)場級器件連接到干線電纜的以太網(wǎng)交換機功能,，并向現(xiàn)場級器件供電。在一條干線電纜上連接多個場開關,，可讓更多的現(xiàn)場級器件連接到網(wǎng)絡,。

　　場開關可通過環(huán)型拓撲連接以實現(xiàn)冗余。在邊緣,，對于數(shù)據(jù)速率以前限制為不到30 kbps的大多數(shù)應用,，高達10 Mbps是一大進步。由于以太網(wǎng)現(xiàn)在用于在現(xiàn)場連接終端節(jié)點器件,，IT和OT已成功融合到無縫以太網(wǎng)網(wǎng)絡上,，從而能夠從世界上的任何地方對任何終端節(jié)點器件進行IP尋址。

　　圖4.過程工業(yè)的10BASE-T1L網(wǎng)絡拓撲,。

　　支持10BASE-T1L的以太網(wǎng)APL

　　以太網(wǎng)APL（高級物理層）指定向過程工業(yè)的傳感器和執(zhí)行器應用以太網(wǎng)通信的詳細信息,，并將根據(jù)IEC發(fā)布。它基于10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標準,，并指定用于危險場所的實施和防爆方法,。領先的過程自動化公司正在PROFIBUS and PROFINET? International （PI）、ODVA, Inc.和FieldComm Group?的管理下合作,，使以太網(wǎng)APL能夠跨工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議使用,，并加速其部署。

　　過程自動化：向未來的無縫以太網(wǎng)連接過渡

　　與HART連接的4 mA至20 mA器件多年來一直成功部署在過程自動化應用中,，是久經考驗的可靠解決方案,，不會在一夜之間消失。目前存在具有支持HART的儀器儀表的大型4 mA至20 mA客戶群,，并且ADI公司將對軟件可配置I/O進行投資,，通過允許在任意引腳上訪問任意工業(yè)I/O功能，且允許在遠程I/O應用中在任意時間配置通道,，提高這些現(xiàn)有器件的安裝靈活性,。這意味著可在安裝時進行自定義,，從而加速產品上市，減少設計資源需求,，以及跨項目和客戶廣泛應用通用產品,。ADI公司提供的軟件可編程I/O電路示例包括AD74413 和AD4110-1 。

　　圖5.傳統(tǒng)分立布線將逐漸成為所有傳感器和執(zhí)行器的智能以太網(wǎng)網(wǎng)絡,。

　　圖5顯示從傳統(tǒng)4 mA至20 mA連接的儀器儀表過渡到棕地以太網(wǎng),，其中支持10BASE-T1L的新儀器儀表將與傳統(tǒng)4 mA至20 mA儀器儀表共存。軟件可配置I/O將這些傳統(tǒng)儀器儀表連接到PLC,，在這些傳統(tǒng)儀器儀表中,，遠程I/O為10 Mb以太網(wǎng)上行鏈路提供聚合點。

　　將采用10BASE-T1L技術在過程自動化中實現(xiàn)無縫云端連接技術,。10BASE-T1L消除了對網(wǎng)關和I/O的需求,，并且實現(xiàn)了從現(xiàn)場器件到控制級別最終到云端的以太網(wǎng)連接。解鎖現(xiàn)場器件將生成豐富的數(shù)據(jù)集用于先進數(shù)據(jù)分析,。

　　10BASE-T1L在過程自動化以外的應用

　　10BASE-T1L正在樓宇自動化,、工廠自動化、能源供應,、監(jiān)控,、自來水及污水處理自動化，以及最終在電梯領域產生強大的吸引力,。所有這些應用都需要更高的帶寬,、與傳感器的無縫以太網(wǎng)連接（無網(wǎng)關），以及在單條雙絞線上同時傳輸功率和數(shù)據(jù),。表2比較了10BASE-T1L和目前使用的現(xiàn)有有線技術,。應用示例包括樓宇自動化中使用的RS-485和工廠自動化中使用的I/O鏈路。

　　10BASE-T1L器件創(chuàng)建可行見解以推動過程優(yōu)化

　　在ADI公司的ChronousTM工業(yè)以太網(wǎng)解決方案系列中添加10BASE-T1L物理層產品后,，ADI將實現(xiàn)向現(xiàn)場到云連接的過程自動化安裝的過渡，包括食品和飲料,、制藥,、石油和天然氣安裝設施的危險場所。新的10BASE-T1L物理層收發(fā)器將提供物理層接口,，從而發(fā)揮以太網(wǎng)連接工廠的許多優(yōu)勢,。借助10BASE-T1L，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包從現(xiàn)場級別轉移到控制級別,，最終到達云端,，且無需網(wǎng)關，從而實現(xiàn)工業(yè)4.0統(tǒng)一IT/OT網(wǎng)絡的目標,。由于有更大的功率可用,，可使能具有增強特性和功能的新型現(xiàn)場器件,。各現(xiàn)場級器件的透明IP可尋址性將極大地簡化10BASE-T1L連接儀器儀表的安裝、配置和維護,。10BASE-T1L將實現(xiàn)新的現(xiàn)場器件,、豐富的云計算數(shù)據(jù)集和高級數(shù)據(jù)分析。工廠運營效率將通過從其過程中獲得可行見解而提高,，從而加速未來部署更復雜的過程自動化生產設施,。

　　表2.現(xiàn)有通信標準和10BASE-T1L的比較

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