作者：Maurice O'Brien and Volker Goller

10BASE-T1L 是新的以太網物理層標準 （IEEE 802.3cg-2019），于 2019 年 11 月 7 日在 IEEE 內獲得批準。它將通過與現場級設備（傳感器和執行器）的無縫以太網連接，顯著提高工廠運營效率，從而極大地改變過程自動化行業。10BASE-T1L解決了迄今為止將以太網限制在過程自動化現場使用的挑戰。這些挑戰包括電源、帶寬、布線、距離、數據孤島和本質安全 0 區（危險區域）應用。通過解決棕地升級和新綠地安裝的這些挑戰，10BASE-T1L將實現以前無法獲得的新見解，例如組合過程變量，輔助參數，資產運行狀況反饋，并將其無縫傳達給控制層和云。這些新見解將通過從現場到云的融合以太網網絡，為數據分析、運營見解和生產力提高帶來新的可能性。

為了在過程自動化應用中用以太網取代 4 mA 至 20 mA 或現場總線通信（基礎現場總線或 PROFIBUS PA），需要通過屏蔽單雙絞線電纜向傳感器或執行器提供電源和數據。與更復雜的布線相比，單雙絞線布線具有成本更低、尺寸更小且更易于安裝的優點。過程自動化應用中現場級設備之間的距離一直是一個重大挑戰，因為現有的工業以太網物理層技術被限制在100米以內。由于過程自動化應用需要長達 1 km 的距離，再加上需要適用于 Zone 0（本質安全）應用的超低功耗和堅固耐用的現場設備，因此需要一種新方法來實現用于過程自動化的以太網物理層技術。10BASE-T1L就是這種新方法。?

10BASE-T1L 內核功能是一種全雙工、直流平衡、點對點通信方案，采用 PAM 3 調制，符號速率為 7.5 MBd，采用 4B3T 編碼。它支持兩種幅度模式：2.4 V 峰峰值（長達 1000 m 電纜）和 1.0 V 峰峰值（縮短距離）。1.0 V峰峰值幅度模式意味著這種新的物理層技術也可用于防爆（防爆）系統的環境，并滿足嚴格的最大能量限制。它在 2 線技術上實現長傳輸距離，在單根雙絞線電纜上提供電源和數據，屬于單對以太網 （SPE） 介質系列。

10BASE-T1L可顯著提高現場設備的功率輸出;在 0 區（本質安全）應用中高達 500 mW。相比之下，4 mA至20 mA器件的功耗約為36 mW。在非本質安全應用中，根據所使用的電纜，最高可達 60 W 的功率。隨著網絡邊緣的可用功率顯著增加，可以啟用具有增強特性和功能的新現場設備，因為4 mA至20 mA的功率限制和現場總線不再適用。例如，現在可以通過額外的功率實現更高性能的測量和增強的數據邊緣處理。這將解鎖有關過程變量的寶貴見解，這些見解現在可以通過在現場級設備（現場資產）上運行的Web服務器訪問，并最終推動流程流和資產管理的改進和優化。

為了利用包含這些有價值的新見解的豐富數據集，需要更高帶寬的通信鏈路，以在整個過程安裝過程中將數據集從現場設備傳送到工廠級基礎設施或直至云進行處理。10BASE-T1L 消除了對復雜、耗電網關的需求，并實現了跨信息技術 （IT） 和運營技術 （OT） 網絡的融合以太網網絡。這種融合網絡簡化了安裝，簡化了設備更換，加快了網絡調試和配置。這樣可以加快軟件更新速度，并簡化根本原因分析和現場級設備的維護。

基于以太網的解決方案的優勢

通過融合以太網作為整個企業、過程自動化中的控制和現場級通信方法，消除了對復雜且耗電網關的需求。這也實現了從極其分散的現場總線基礎設施的過渡，該基礎設施創建了數據孤島，其中對現場級設備中的數據的訪問受到限制。通過刪除這些網關，這些舊安裝的成本和復雜性顯著降低，并消除了它們創建的數據孤島。

迄今為止，過程自動化應用一直使用表1所示的傳統通信標準，這些標準具有新的10BASE-T1L標準克服的幾個限制。過程自動化中還存在知識庫挑戰。通過退休，技術人員和工程師將離開勞動力市場，并帶走有關如何使用HART或現場總線通信系統部署，調試和維護4 mA至20 mA安裝的詳細知識。大學畢業生不熟悉這些傳統技術，但非常熟悉基于以太網的技術，可以快速提升基于以太網的網絡解決方案。?

以太網標準確保所有具有 10BASE-T1L 的更高協議層的工作方式與 10BASE-T、100BASE-TX 和 1000BASE-T 完全相同，從而消除了對復雜網關的需求。IEEE 802.3 是 ISO 7 層模型中所有物理層都針對以太網定義的地方：10BASE-T1L（參見圖 2）。這意味著設備現在可以使用PROFINET，以太網??/IP， HART/IP， OPC UA?或 MODBUS/TCP 并支持 MQTT 等物聯網協議，它提供了一種簡單而強大的方式將現場設備連接到云。以太網還可以實現簡單、集中控制的軟件更新，直至終端節點，從而實現更快的網絡調試。?

圖2.ISO 7 層模型中的 10BASE-T1L。

要與支持 10BASE-T1L 的設備通信，需要具有集成介質訪問控制 （MAC） 的主機處理器、無源媒體轉換器或具有 10BASE-T1L 端口的交換機。無需其他軟件，無需自定義 TCP/IP 堆棧，也不需要特殊的驅動程序（參見圖 3）。這為10BASE-T1L設備帶來了明顯的優勢：

盡管連接 10BASE-T1L 需要媒體轉換器，但它僅轉換物理編碼，而不轉換以太網數據包的內容。從軟件和通信協議的角度來看，它是透明的。

通過以太網連接，可以使用筆記本電腦或手機配置傳感器，無論傳感器是在桌面上還是部署在制造工廠中。例如，今天的溫度變送器具有附加接口（例如，以USB的形式），以便能夠配置轉換器。根據制造商的不同，有超過 100 種調整選項。目前，這些參數根本無法通過4 mA至20 mA訪問。HART允許訪問，但由于成本原因通常不可用。因此，如果在桌面設置過程中出錯，則需要在現場安裝后重新配置4 mA至20 mA傳感器。與10BASE-T1L連接的傳感器可通過網絡訪問，并且可以隨時隨地進行遠程更新。

4 mA至20 mA器件只能傳輸一個過程值。以太網不僅可以直接訪問過程值，還可以直接訪問所有設備參數，例如資產管理、生命周期管理、預測性維護、配置和參數化。

傳感器變得越來越復雜，軟件更新的可能性也在增加。現在，通過快速以太網連接，隨時隨地都可以在現實時間內做到這一點。

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圖3.通過 10BASE-T1L PHY 進行現場級設備連接。

流程自動化布線和網絡部署

在過程自動化中，與機器制造或工廠自動化不同，這些傳感器和執行器（流量、液位、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 的情況并不少見，從那里開始，現場開關之間的距離可達 1000 m。過程自動化使用 A 型現場總線電纜，因為它目前已用于 PROFIBUS PA 和基礎現場總線安裝。

10BASE-T1L標準沒有定義特定的傳輸介質（電纜）;相反，它定義了一個通道模型（回波損耗和插入損耗要求）。10BASE-T1L 通道型號非常適合現場總線 A 型電纜，因此一些已安裝的 4 mA 至 20 mA 電纜可以與 10BASE-T1L 重復使用，為過程自動化裝置的棕地升級創造了重要機會。

由于 10BASE-T1L 允許在長達約 200 m 的線路上將信號幅度電壓降低到 1 V，因此 10BASE-T1L 可用于防爆系統環境，并以高達 500 mW 的功率滿足危險區域的嚴格最大能量限制。

與4 mA至20 mA（500 mW與~36 mW）相比，功率顯著增加，如今由于4 mA至20 mA功率有限而需要外部電源的4線器件現在可以替換為10BASE-T1L支持的2線器件，無需外部電源，從而為新器件提供了更大的安裝靈活性。

圖 4 顯示了過程工業的擬議網絡拓撲，稱為干線和雜散網絡拓撲。干線電纜最長可達 1 km，PHY 峰峰值幅度為 2.4 V，位于 1 區 2 分區。雜散電纜最長可達 200 m，PHY 峰峰值振幅為 1.0 V，位于 0 區 1 區。電源開關位于控制級別，提供以太網交換機功能，并為電纜供電（通過數據線）。現場開關位于危險區域的現場級別，由電纜供電。現場交換機提供以太網交換機功能，將雜散上的現場級設備連接到中繼，并將電源傳遞到現場級設備。多個現場交換機連接在干線電纜上，以提供大量要連接到網絡的現場級設備。

圖4.適用于過程工業的 10BASE-T1L 網絡拓撲。

現場開關可通過環形拓撲結構連接，以實現冗余。在邊緣，對于以前限制在低于 30 kbps 的數據速率的大多數應用程序來說，高達 10 Mbps 是一項重大進步。由于以太網現在用于在現場連接終端節點設備，因此IT和OT已成功融合到無縫以太網中，從而可以從世界任何地方對任何終端節點設備進行IP尋址。

帶 10BASE-T1L 的以太網 APL

Ethernet-APL（高級物理層）規定了以太網通信在過程工業傳感器和執行器中的應用細節，并將在IEC下發布。它基于 10BASE-T1L 以太網物理層標準，并規定了在危險場所使用的實施和防爆方法。過程自動化領域的領先公司正在PROFIBUS和PROFINET International（PI），ODVA，Inc.和FieldComm Group的框架下合作，使Ethernet-APL跨工業以太網協議工作并加速其部署。?

過程自動化：向未來無縫以太網連接的過渡

與HART的4 mA至20 mA連接已在過程自動化應用中成功部署多年，是一種經過驗證的強大解決方案，不會在一夜之間消失。支持HART的儀器現有4 mA至20 mA的大型安裝基礎，ADI公司正在投資軟件可配置I/O，允許在任何引腳上訪問任何工業I/O功能，從而為這些現有器件提供更大的安裝靈活性，從而允許在遠程I/O應用中隨時配置通道。這意味著可以在安裝時進行定制，從而加快上市時間，減少設計資源，并跨項目和客戶廣泛利用通用產品。ADI公司的軟件可編程I/O電路示例包括AD74413和AD4110-1。

圖 5 顯示了從傳統 4 mA 至 20 mA 連接儀器到棕地以太網的過渡，其中支持 10BASE-T1L 的新型儀器將與傳統的 4 mA 至 20 mA 儀器共存。軟件 可 配置 I/ O 連接 這些 傳統 儀器， 其中 遠程 I/ O 提供 聚合 點 到 PLC 的 10 Mb 以太網 上行鏈路。

圖5.傳統的離散布線將逐漸成為所有傳感器和執行器的智能以太網網絡。

采用10BASE-T1L技術，將在流程自動化中實現無縫的邊緣到云連接。10BASE-T1L消除了對網關和I/O的需求，并實現了從現場設備到控制層并最終到云的以太網連接。解鎖現場設備將產生用于高級數據分析的豐富數據集。

超越過程自動化的 10BASE-T1L 應用

10BASE-T1L 現在在樓宇自動化、工廠自動化、能源供應、監控、自來水和廢水處理自動化以及電梯方面獲得了巨大的吸引力。所有這些應用都要求在單根雙絞線電纜上實現更高帶寬、無縫以太網連接（無網關）到傳感器。表 2 將 10BASE-T1L 與目前使用的現有有線技術進行了比較。應用示例包括用于樓宇自動化的RS-485和工廠自動化中使用的I/O鏈路。

10BASE-T1L 器件可創建可操作的見解以推動流程優化

ADI公司的Chronous新增10BASE-T1L物理層產品?作為工業以太網解決方案組合，ADI將實現向現場到云連接的過程自動化裝置的過渡，包括食品和飲料、制藥以及石油和天然氣裝置的危險場所。新型10BASE-T1L物理層收發器ADIN1100將提供物理層接口，以釋放以太網連接工廠的諸多優勢。借助10BASE-T1L，以太網數據包無需網關即可從現場級移動到控制層，最終到達云端，從而實現工業4.0統一IT/OT網絡的目標。由于可用的功率顯著提高，可以利用ADI MAC PHY （ADIN1110）實現具有增強特性和功能的新型現場設備。每個現場級設備的透明 IP 尋址能力將大大簡化 10BASE-T1L 連接儀器的安裝、配置和維護。10BASE-T1L將解鎖新的現場設備、豐富的云計算數據集和高級數據分析。通過從其流程中獲取可操作的見解，工廠的運營效率將得到提高，從而加速未來更復雜的流程自動化生產設施的部署。

目前有哪些解決方案

ADI公司擴展了其ADI Chronous產品組合，為過程和樓宇自動化應用提供長距離、可靠的10BASE-T1L以太網連接。新的工業以太網解決方案在 兩種靈活的選項：MAC PHY （ADIN1110） 和 PHY （ADIN1100）。ADIN1110支持業界功耗最低的系統設計，簡化了現場儀表、傳感器或執行器中的以太網改造，并保留了軟件和處理器技術的現有投資。ADI獨特的MAC-PHY技術為沒有集成MAC的超低功耗處理器提供SPI接口，從而降低整體系統功耗。ADIN1100提供 標準以太網接口，支持用于更復雜的設計，如現場交換機開發。ADI公司的ADIN1100和ADIN1110 10BASE-T1L解決方案可在1.7公里長的單雙絞線電纜上傳輸數據，并且功耗僅為 功率分別為 39 mW 和 43 mW。單對以太網供電 （SPoE） 或工程電源解決方案與 10BASE-T1L PHY 或 MAC-PHY 相結合，通過單根雙絞線電纜提供電源和數據。

審核編輯：郭婷