以太网标准10BASE-T1L的基础知识

作者：Thomas Brand and Thomas 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。数据必须从操作技术（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工业以太网技术兼容，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 mA模拟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，这项技术有什么优势，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。

还有其他网络技术，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）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。

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。

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，该技术还可用于防爆环境（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技术，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。

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。

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。