作者:Thomas BrandandThomas Tzscheetzsch
各种设备之间的数据通信在日常生活的许多方面都是必不可少的。数字化和工业 4.0 推动的设备激增以及数据量的急剧增加正在迫使通信格局发生变化。例如,在过程自动化等领域,需要支持整个工厂连接的集成网络。数据必须从操作威廉希尔官方网站 (OT)机器中提取,进行处理,然后提供给公司级别(IT)的计算机系统进行进一步处理。由于以前的4 mA至20 mA或现场总线应用在数据通信方面遇到了极限,以太网正在成为通信标准。首先,这是新的以太网标准10BASE-T1L,这是一种2线以太网解决方案,线路长度可达1000 m,传输速度为10 Mbps,支持PROFINET,EtherNet/IP,OPC UA,Modbus-TCP等传输协议。有了这个标准,就可以继续使用现有的2线布线,从而保护投资。
本文介绍了10BASE-T1L的基础知识,并展示了相应的产品,这些产品也与为各种应用选择合适的连接器有关。通过数据线传输各种连接设备的电力在10BASE-T1L中也起着重要作用。
介绍
数据通信不仅在工业领域,而且在过程自动化中都发挥着越来越大的作用。由于数据量激增,以前的4 mA至20 mA或现场总线应用正在达到极限,因此以太网正在成为通信标准。标准的以太网 4 线解决方案已演变为称为 10BASE-T1L 的 2 线解决方案,由单对双绞线或单对以太网 (SPE) 组成。在物理层之上,10BASE-T1L与现有的100 Mbps或1000 Mbps工业以太网威廉希尔官方网站 兼容,因此是一种补充。
10BASE-T1L正在变得标准化,特别是在过程自动化方面,并有可能在该领域产生彻底的变化。正是在这里,到目前为止,传感器和执行器通常通过4 mA至20 mAinterwetten与威廉的赔率体系 接口或现场总线连接。在过程自动化中,与机械工程或工厂自动化不同,这些传感器和执行器通常与控制系统或远程I / O系统保持一定距离。200 m 到 1000 m 及以上的距离很常见。
但10BASE-T1L到底是什么,这项威廉希尔官方网站 有什么优势,为什么它是一个新标准?
这些问题将在以下各节中回答。
10BASE-T1L 是什么意思?
名称10BASE-T1L大致解释了它的含义。此处使用电气和电子工程师协会 (IEEE) 缩写。
介质类型中的“10”表示 10 Mbps 的传输速率。 “BASE”是指基带信号,这意味着只有以太网信号可以通过介质传输。“T”代表“双绞线”。数字“1”代表 1 公里范围。在这种情况下,它后面跟一个“L”表示“长距离”,这意味着段长度为 1 公里或更长是可能的。
还有其他网络威廉希尔官方网站 ,如10BASE-2(最大段长为185米的细同轴电缆)、10BASE-5(最大段长为500米的粗同轴电缆)、10BASE-F(光纤电缆)或10BASE-36(具有多个基带信道的宽带同轴电缆,最大段长度为3600米)。
10BASE-T1L 可以分为 OSI 模型的哪一层?
10BASE-T1L提供了使用现有2线基础设施的可能性,以10 Mbps的传输速度实现长达1000米的线路长度。物理以太网威廉希尔官方网站 仅在开放系统互连 (OSI) 模型的第 1 层(位传输层或物理层)中定义。在位传输层之上,10BASE-T1L支持常见的以太网协议,如PROFINET,Modbus等,以及其他总线系统,如BACnet,KNX和LON,这些系统通常用于楼宇管理系统。表 1 显示了概述。
OSI 模型层 | 百信网 | 莫德布斯 | KNX | 离子 | |
主机层 |
7 |应用 | 百汇网应用层 | 莫德布斯 | KNX |
离子 |
6 |介绍 | — | ||||
5 |会期 |
— | ||||
4 |运输 |
UDP (BACnet/IP), TCP (BACnet/SC) | 威廉希尔官方网站 合作计划(TCP |
威廉希尔官方网站
合作计划(TCP |
||
媒体层 | 3 |网络 | 百汇网网络层 | IP, ARP, RARP | 知识产权 | |
2 |数据链路 | ISO 8802 (IEEE 802.3) | ||||
1 |物理的 | 屏蔽或非屏蔽单双绞线 (IEEE 802.3cg) |
10BASE-T1L 在第 1 层的特殊以太网 PHY 的帮助下实现。以太网帧通过介质独立接口 (MII)、缩减 MII (RMII) 或缩减千兆位 MII (RGMII) 在 MAC 和 PHY 之间传输。
MAC 由以太网标准 IEEE 802.3 定义,并在数据链路层(第 2 层)中实现。PHY形成物理接口,负责对传输介质和数字系统之间的数据进行编码和解码。
10BASE-T1L可以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使用它?
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 mA 至 20 mA 标准化信号。然而,这并不意味着通过4 mA至20 mA电流环路连接的旧现场仪表必须替换为支持10BASE-T1L的现场仪表。这些传统设备可以通过软件可配置的 I/O (SWIO) 模块进行连接,而远程 I/O 则用作通过 10 Mbps 以太网上行链路连接到 PLC 的收集点。
软件可配置的I/O模块具有可重新配置的模块通道,这使得它们能够快速、轻松、远程地工作,而无需大量重新布线。这些通道可以配置为电流和电压的输入或输出,也可以配置为数字和模拟。
在某些情况下,要求通过10BASE-T1L提供设备的电源及其数据,这是标准的一部分。显示了通过4 mA至20 mA电流环路连接的传统现场仪表和具有10 mA功能的新型现场仪表的混合示例。
10BASE-T1L 支持两种幅度模式:2.4 V 用于长达 1000 m 的电缆,1 V 用于长达 200 m 的较短距离。通过1.0 V峰峰值幅度模式,该威廉希尔官方网站 还可用于防爆环境(危险区域),并满足那里适用的严格最大能耗要求。
一个行业联盟指定了高级物理层(APL),它建立在10BASE-T1L标准之上,定义了过程自动化的本质安全操作。
Ethernet-APL 同样支持通过现场到云连接过渡到无缝过程自动化安装,包括食品和饮料、制药以及石油和天然气行业中具有潜在爆炸性环境的区域。此外,APL 还定义了单双绞线的电源配置等级。
没有混凝土传输介质(电缆)被定义为10BASE-T1L。仅指定电缆的回波损耗和插入损耗要求。现场总线A型电缆是首选电缆。这允许重复使用现有的PROFIBUS或基础现场总线电缆。10BASE-T1L 在长达 1000 m 的电缆长度上与一对平衡的导体配合使用,没有任何问题。但是,在嘈杂的工业环境中,需要使用像A型电缆这样的屏蔽电缆 - 使用连接器,螺丝端子或打孔块。一些10BASE-T1L开关芯片具有集成的诊断功能,可以检查电缆上的信号质量。因此,10BASE-T1L是一种非常强大的通信威廉希尔官方网站 ,即使电线混淆也不会造成问题。
10BASE-T1L有哪些优势?
传统的4 mA至20 mAHART和现场总线器件的数据带宽有限,仅为几kbps。使用10BASE-T1L,可以达到10 Mbps的速度。这样不仅可以传输过程值,还可以传输附加设备参数,例如配置和参数化信息。将来,对于日益复杂的传感器,以及故障和网络诊断,例如传感器线路短路,将通过数据线相对快速地执行。配置也更容易,因为 10BASE-T1L 不再需要网关和转换器。通过消除网关,大大降低了这些旧安装的成本和复杂性,并清除了它们创建的数据孤岛。®
此外,可以通过数据线传输更高的功率。例如,本质安全区域(危险区域)的功率为 500 mW,在非本质安全区域甚至可以传输高达 60 W 的功率。
以太网标准,如PROFINET,EtherNet/IP,HART-IP,OPC UA或ModbusTCP,以及物联网协议,如MQTT,可以实现现场设备与云的轻松而强大的连接。
10BASE-T1L 是否也适用于开关模块?
与标准以太网一样,10BASE-T1L具有桥接器,可以耦合各种网段和设备。可以实现不同的网络拓扑,并用于为连接的设备供电。在过程自动化中,开关通常连接到控制器、HMI 和云。交换机允许以环形拓扑形式实现介质冗余,以提高可用性。
在过程自动化中,与设备、传感器和执行器的连接也称为杂散,而开关与控制系统之间的连接则称为干线。
设备集成密度不断提高,带来了更多的可能性。例如,10BASE-T1L开关可以集成到传感器中,该传感器直接连接到也可以由其提供的其他传感器。
与支持 10BASE-T1L 的设备的通信通过主机处理器进行。它通常需要集成的MAC功能,无源媒体转换器或具有10BASE-T1L端口的交换机。
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 |
连接到更高级别的以太网网络 | 复杂网关 | 复杂网关 | 无需网关的无缝连接 |
仪器电源供应 | <40毫瓦 | 有限 |
本质安全:500 mW;非本质安全: 高达 60 W(取决于电缆) |
诀窍/专长 | 专有威廉希尔官方网站 /专业技能缩减 | 专有威廉希尔官方网站 /专业技能缩减 | 大学毕业生对以太网非常熟悉 |
我也可以通过“两根线”为设备供电吗?
10BASE-T1L标准不仅提供来自传感器和执行器的数据通信,而且还提供了通过信号线为其供电的可能性。具体而言,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幅度从2.4 V降低到1 V,以符合那里适用的最大能量的严格要求。然而,因此,在本质安全区域只能缩短传输距离。
表 3 概述了 18 型 AWG 电缆的各种线路长度和区域的可能电力传输水平。
55 V | 24 V | |
1000米 | 7.7 瓦 | 1.23 瓦 |
400米 | 20 瓦 | 3.2 瓦 |
150米 | 52 瓦 | 8.3 瓦 |
结论
10BASE-T1L为过程自动化提供了相对强大的通信标准,与传统的4 mA至20 mA应用相比,具有许多优势,包括可重用现有基础设施。
审核编辑:郭婷
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