【導讀】10BASE-T1L是在2019年11月7日經過IEEE認證的新以太網物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過與現場級器件（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，徹底變革過程自動化行業。10BASE-T1L解決了至今為止一直限製在過程自動化中使用現場以太網的挑戰。這些挑戰包括功率
、帶寬、布線、距離、數據島以及本質安全0區（危險區域）應用。通過為棕地升級和新綠地安裝解決這些挑戰，10BASE-T1L將有助於獲得以前無法獲取的新見解，如組合過程變量、二次參數

、資產健康反饋，並將它們無縫傳達至控製層及雲端。這些新的見解將通過從現場到雲的融合以太網網絡，讓數據分析、運營見解和生產力提高成為可能。

10BASE-T1L是在2019年11月7日經過IEEE認證的新以太網物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)。這將通過與現場級器件（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
，徹底變革過程自動化行業。10BASE-T1L解決了至今為止一直限製在過程自動化中使用現場以太網的挑戰。這些挑戰包括功率、帶寬、布線、距離、數據島以及本質安全0區（危險區域）應用。通過為棕地升級和新綠地安裝解決這些挑戰
，10BASE-T1L將有助於獲得以前無法獲取的新見解
，如組合過程變量

、二次參數、資產健康反饋
，並將它們無縫傳達至控製層及雲端。這些新的見解將通過從現場到雲的融合以太網網絡，讓數據分析、運營見解和生產力提高成為可能。

圖1.與過程自動化現場傳感器和執行器的無縫以太網連接。

要在過程自動化應用中用以太網替換4 mA至20 mA器件或現場總線通信（Foundation Fieldbus或PROFIBUS® Pa），需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)單(dan)條(tiao)屏(ping)蔽(bi)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)向(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)執(zhi)行(xing)器(qi)同(tong)時(shi)提(ti)供(gong)功(gong)率(lv)和(he)數(shu)據(ju)。與(yu)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)布(bu)線(xian)相(xiang)比(bi)
，單(dan)條(tiao)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)布(bu)線(xian)的(de)優(you)點(dian)是(shi)成(cheng)本(ben)更(geng)低(di)
，尺(chi)寸(cun)更(geng)小(xiao)
，安(an)裝(zhuang)更(geng)方(fang)便(bian)。在(zai)過(guo)程(cheng)自(zi)動(dong)化(hua)應(ying)用(yong)中(zhong)，現(xian)場(chang)級(ji)器(qi)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)一(yi)直(zhi)是(shi)限(xian)製(zhi)在(zai)100 m內的現有工業以太網物理層技術的巨大挑戰。由於過程自動化應用需要長達1 km的距離，並且需要適用於0區（本質安全）應用的低功率且可靠的現場器件

，因此過程自動化需要一種實現以太網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調製。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feng峰feng值zhi幅fu度du模mo式shi是shi指zhi，這zhe項xiang新xin的de物wu理li層ceng技ji術shu也ye可ke在zai防fang爆bao係xi統tong環huan境jing中zhong使shi用yong，並bing符fu合he嚴yan格ge的de最zui大da能neng源yuan限xian製zhi。它ta可ke通tong過guo雙shuang絞jiao線xian技ji術shu實shi現xian較jiao長chang的de傳chuan輸shu距ju離li，且qie在zai單dan條tiao雙shuang絞jiao線xian上shang同tong時shi傳chuan輸shu功gong率lv和he數shu據ju，屬shu於yu單dan對dui以yi太tai網wang(SPE)介質係列。

10BASE-T1L支持為現場器件傳輸很高的功率；0區（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，根據所用電纜的不同
，功率可高達60 W。由於在網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場器件
，原因在於4 mA至20 mA器qi件jian的de功gong率lv限xian製zhi和he現xian場chang總zong線xian不bu再zai適shi用yong。例li如ru
，現xian在zai通tong過guo額e外wai的de功gong率lv，可ke以yi測ce量liang更geng高gao的de性xing能neng
，增zeng強qiang對dui數shu據ju的de邊bian緣yuan處chu理li。這zhe將jiang發fa掘jue有you關guan過guo程cheng變bian量liang的de寶bao貴gui見jian解jie，過guo程cheng變bian量liang現xian在zai可ke以yi通tong過guo在zai現xian場chang級ji器qi件jian（現場資產）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化。

要yao利li用yong包bao含han這zhe些xie寶bao貴gui新xin見jian解jie的de豐feng富fu數shu據ju集ji，需xu要yao更geng高gao帶dai寬kuan的de通tong信xin鏈lian路lu，將jiang跨kua過guo程cheng安an裝zhuang的de現xian場chang器qi件jian的de數shu據ju集ji傳chuan輸shu至zhi工gong廠chang級ji基ji礎chu設she施shi或huo雲yun端duan進jin行xing處chu理li。而er10BASE-T1L無需耗電量大的複雜網關
，可跨信息技術(IT)和操作技術(OT)網wang絡luo使shi能neng融rong合he以yi太tai網wang網wang絡luo。通tong過guo此ci融rong合he網wang絡luo，可ke簡jian化hua安an裝zhuang和he器qi件jian更geng換huan
，加jia快kuai網wang絡luo調tiao試shi和he配pei置zhi。最zui終zhong將jiang加jia快kuai軟ruan件jian更geng新xin，簡jian化hua根gen本ben原yuan因yin分fen析xi和he現xian場chang級ji器qi件jian維wei護hu。

以太網解決方案的優勢

通過融合以太網作為過程自動化中跨企業、kongzhihexianchangjibiedetongxinfangfa，buzaixuyaohaodianliangdadefuzawangguan。zheyeshixianlecongjiweifensandexianchangzongxianjichusheshideguodu，gaijichusheshichuangjianlefangwenxianchangjiqijianneibushujushouxiandeshujudao。tongguoyichuzhexiewangguan，xianzhujiangdilezhexiechuantongshebeideanzhuangchengbenhefuzaxing
，bingxiaochuleqisuochuangjiandeshujudao。

迄今為止
，過程自動化應用一直使用表1中所示的傳統通信標準
，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。技術人員和工程師退休後，帶走了具有HART®的4 mA至20 mA器件或現場總線通信係統的部署、調(tiao)試(shi)和(he)安(an)裝(zhuang)維(wei)護(hu)方(fang)式(shi)的(de)詳(xiang)細(xi)知(zhi)識(shi)。而(er)大(da)學(xue)畢(bi)業(ye)生(sheng)對(dui)這(zhe)些(xie)傳(chuan)統(tong)技(ji)術(shu)不(bu)熟(shu)悉(xi)，但(dan)很(hen)熟(shu)悉(xi)基(ji)於(yu)以(yi)太(tai)網(wang)的(de)技(ji)術(shu)，可(ke)快(kuai)速(su)部(bu)署(shu)基(ji)於(yu)以(yi)太(tai)網(wang)的(de)網(wang)絡(luo)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

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

以太網標準可確保采用10BASE-T1L的所有較高協議層的工作方式完全與10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T相同，因此無需使用複雜的網關。在IEEE 802.3中，為以太網：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，器件現在可以使用PROFINET®、EtherNetTM/IP
、HART/IP
、OPC UATM或MODBUS®/TCP並支持MQTT等(deng)物(wu)聯(lian)網(wang)協(xie)議(yi)
，這(zhe)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)將(jiang)現(xian)場(chang)器(qi)件(jian)連(lian)接(jie)到(dao)雲(yun)的(de)簡(jian)單(dan)而(er)強(qiang)大(da)的(de)方(fang)式(shi)。通(tong)過(guo)以(yi)太(tai)網(wang)
，還(hai)可(ke)簡(jian)單(dan)地(di)以(yi)集(ji)中(zhong)控(kong)製(zhi)的(de)方(fang)式(shi)將(jiang)軟(ruan)件(jian)更(geng)新(xin)至(zhi)終(zhong)端(duan)節(jie)點(dian)
，從(cong)而(er)加(jia)快(kuai)網(wang)絡(luo)調(tiao)試(shi)。

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製(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器件具有明顯優勢：

• 盡管連接10BASE-T1L需要介質轉換器，但隻轉換物理編碼，不轉換以太網數據包的內容。從軟件和通信協議角度來看
  ，它是透明的。

• 通tong過guo以yi太tai網wang連lian接jie
  ，無wu論lun傳chuan感gan器qi在zai桌zhuo麵mian上shang還hai是shi部bu署shu在zai製zhi造zao工gong廠chang，均jun可ke在zai筆bi記ji本ben電dian腦nao或huo手shou機ji上shang配pei置zhi。例li如ru，目mu前qian的de溫wen度du傳chuan感gan器qi有you一yi個ge額e外wai的de接jie口kou（例如，USB接口），以便能夠配置轉換器。根據製造商的不同，調整選項超過100個。這些參數目前無法通過4 mA至20 mA器件訪問。HART允許訪問，但通常太昂貴。因此
  ，如果在桌麵安裝過程中出錯，4 mA至20 mA傳感器將需要在現場安裝後重新配置。通過10BASE-T1L連接的傳感器可通過網絡訪問
  ，並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
  ，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
  ，如資產管理
  、生命周期管理、預測性維護、配置和參數化。

圖3.采用10BASE-T1L PHY的現場級器件連接。

• 傳感器變得越來越複雜，軟件也更有可能更新。現在
  ，通過快速以太網連接
  ，可在現實時間段內隨時隨地做到這一點。

• 訪問高級以太網網絡診斷工具簡化根本原因分析。

• 
  

過程自動化布線和網絡部署

在過程自動化中
，不像在機器製造或工廠自動化中
，這些傳感器和執行器（流量、電平、壓力和溫度）不靠近控製器。傳感器和I/O之間的距離為200 m並不少見，而從那裏到場開關之間的距離可長達1000 m。過程自動化使用A型現場總線電纜
，因為它目前已經用於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造巨大的機會。

由於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可用於防爆係統環境中
，並符合高達500 mW功率的危險區域的嚴格最大能源限製。

由於與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顯示過程工業的建議網絡拓撲，稱為幹線和支線網絡拓撲。幹線電纜可長達1 km，其PHY峰峰值幅度為2.4 V，位於1區

、2分區。支線電纜可長達200 m，其PHY峰峰值幅度為1.0 V
，位於0區、1分區。電源開關位於控製級，提供以太網交換機功能
，並向電纜供電（通過數據線）。場(chang)開(kai)關(guan)位(wei)於(yu)危(wei)險(xian)區(qu)域(yu)的(de)現(xian)場(chang)級(ji)，由(you)電(dian)纜(lan)供(gong)電(dian)。場(chang)開(kai)關(guan)提(ti)供(gong)將(jiang)支(zhi)線(xian)電(dian)纜(lan)上(shang)的(de)現(xian)場(chang)級(ji)器(qi)件(jian)連(lian)接(jie)到(dao)幹(gan)線(xian)電(dian)纜(lan)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)交(jiao)換(huan)機(ji)功(gong)能(neng)
，並(bing)向(xiang)現(xian)場(chang)級(ji)器(qi)件(jian)供(gong)電(dian)。在(zai)一(yi)條(tiao)幹(gan)線(xian)電(dian)纜(lan)上(shang)連(lian)接(jie)多(duo)個(ge)場(chang)開(kai)關(guan)
，可(ke)讓(rang)更(geng)多(duo)的(de)現(xian)場(chang)級(ji)器(qi)件(jian)連(lian)接(jie)到(dao)網(wang)絡(luo)。

場開關可通過環型拓撲連接以實現冗餘。在邊緣

，對於數據速率以前限製為不到30 kbps的大多數應用，高達10 Mbps是一大進步。由於以太網現在用於在現場連接終端節點器件，IT和OT已成功融合到無縫以太網網絡上
，從而能夠從世界上的任何地方對任何終端節點器件進行IP尋址。

圖4.過程工業的10BASE-T1L網絡拓撲。

支持10BASE-T1L的以太網APL

以太網APL（高級物理層）指定向過程工業的傳感器和執行器應用以太網通信的詳細信息
，並將根據IEC發布。它基於10BASE-T1L以太網物理層標準，並指定用於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APL能夠跨工業以太網協議使用

，並加速其部署。

過程自動化：向未來的無縫以太網連接過渡

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，並且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I/O功能，且允許在遠程I/O應(ying)用(yong)中(zhong)在(zai)任(ren)意(yi)時(shi)間(jian)配(pei)置(zhi)通(tong)道(dao)
，提(ti)高(gao)這(zhe)些(xie)現(xian)有(you)器(qi)件(jian)的(de)安(an)裝(zhuang)靈(ling)活(huo)性(xing)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)可(ke)在(zai)安(an)裝(zhuang)時(shi)進(jin)行(xing)自(zi)定(ding)義(yi)

，從(cong)而(er)加(jia)速(su)產(chan)品(pin)上(shang)市(shi)，減(jian)少(shao)設(she)計(ji)資(zi)源(yuan)需(xu)求(qiu)，以(yi)及(ji)跨(kua)項(xiang)目(mu)和(he)客(ke)戶(hu)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)通(tong)用(yong)產(chan)品(pin)。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.傳統分立布線將逐漸成為所有傳感器和執行器的智能以太網網絡。

圖5顯示從傳統4 mA至20 mA連接的儀器儀表過渡到棕地以太網
，其中支持10BASE-T1L的新儀器儀表將與傳統4 mA至20 mA儀器儀表共存。軟件可配置I/O將這些傳統儀器儀表連接到PLC
，在這些傳統儀器儀表中，遠程I/O為10 Mb以太網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無縫雲端連接技術。10BASE-T1L消除了對網關和I/O的需求，並且實現了從現場器件到控製級別最終到雲端的以太網連接。解鎖現場器件將生成豐富的數據集用於先進數據分析。

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
、監控、自來水及汙水處理自動化
，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連接（無網關），以及在單條雙絞線上同時傳輸功率和數據。表2比較了10BASE-T1L和目前使用的現有有線技術。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器件創建可行見解以推動過程優化

在ADI公司的ChronousTM工業以太網解決方案係列中添加10BASE-T1L物理層產品後，ADI將實現向現場到雲連接的過程自動化安裝的過渡，包括食品和飲料、製藥
、石油和天然氣安裝設施的危險場所。新的10BASE-T1L物理層收發器將提供物理層接口
，從而發揮以太網連接工廠的許多優勢。借助10BASE-T1L，以太網數據包從現場級別轉移到控製級別，最終到達雲端，且無需網關

，從而實現工業4.0統一IT/OT網絡的目標。由於有更大的功率可用，可使能具有增強特性和功能的新型現場器件。各現場級器件的透明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將實現新的現場器件、豐(feng)富(fu)的(de)雲(yun)計(ji)算(suan)數(shu)據(ju)集(ji)和(he)高(gao)級(ji)數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)。工(gong)廠(chang)運(yun)營(ying)效(xiao)率(lv)將(jiang)通(tong)過(guo)從(cong)其(qi)過(guo)程(cheng)中(zhong)獲(huo)得(de)可(ke)行(xing)見(jian)解(jie)而(er)提(ti)高(gao)，從(cong)而(er)加(jia)速(su)未(wei)來(lai)部(bu)署(shu)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)過(guo)程(cheng)自(zi)動(dong)化(hua)生(sheng)產(chan)設(she)施(shi)。

表2.現有通信標準和10BASE-T1L的比較

（來源：ADI公司，作者：戰略營銷經理Maurice O’Brien和係統應用工程師Volker Goller）

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