作者：Alan Yang
关键词: 以太网, 网络, 工作原理
10BASE-T1L目前在工厂自动化、监控、楼宇自动化等领域获得了显著的发展。本文通过两个过程控制应用场景（自动化工厂应用和状态监测应用），以及介绍10BASE-T1L该如何连接，来深入了解10BASE-T1L工业以太网究竟有哪些优势。
工业以太网应用
- 应用一：过程自动化工厂
802.3cg标准也称为10BASE-T1L，是一种工业以太网网络协议。10BASE-T1L核心能力是一种全双工、直流平衡、点对点通信方案，实现了跨信息技术（IT）和操作技术（OT）网络的聚合以太网。
下图显示从4 mA到20 mA以及HART接口过渡到基于10BASE-T1L工业以太网的过程。
图1：过程控制自动化工厂应用（图片来源: ADI）
传统的4 mA至20 mA和HART接口已经成功部署在自动化应用中多年，不会马上消失，而是与新的10BASE-T1L设备共存。
有多种形式连接：对于4 mA到20 mA以及HART接口设备，可以直接连接PLC，也可以通过连接远程I/O设备再连接到PLC。对于支持10BASE-T1L的设备，可以直接连接PLC，也可以通过连接现场交换机再连接到PLC。
危险区域划分：“危险区域”是指大气中可能含有的足量易燃易爆物质，如可燃气体、粉尘或可燃纤维等，当电气设备长时间处于该环境下，会有爆炸以及火灾的危险。对于一些自动化工厂，实际应用环境可能会很复杂。为了防止潜在的爆炸危险，需要对区域进行划分。不同区域对于电气设备电气性能的要求也不一样。
表1：危险区域等级的划分（根据国际电工委员会/欧洲电工委员会）
| 0区（Zone 0） | 易燃易爆物质\气体始终或长时间存在；连续地存在危险性大于1000小时/每年的区域 |
| 1区（Zone 1） | 易燃易爆物质\气体在仪表的正当工作过程中有可能发生或存在；断续地存在危险性10~1000小时/每年的区域 |
| 2区（Zone 2） | 一般情形下，不存在易燃易爆物质\气体且即使偶尔发生，其存在时间亦很短；事故状态下存在的危险性0.1~10小时/每年的区域 |
越危险的地方，要求设备的安全性越高。这个时候，10BASE-T1L的优势就体现出来了。
因为在危险环境中，对于10BASE-T1L的设备，其峰峰值可以低至1.0 V，可以支持500mW的功率传输。而对比传统4 mA至20 mA的设备，只能够提供约36mW功率。
这意味着有许多功能强/性能好的设备，可通过10BASE-T1L在危险环境中使用。 而在安全的环境，根据所用电缆的不同，10BASE-T1L的设备的功率传输可达到60W。
- 应用二：状态监测
当然，不是所有应用需要分区域。比如状态监测应用，可以直接通过10BASE-T1L，把节点设备连接到云端，实现远程监控。状态监测可以延长设备寿命，提高质量，提高安全性。
图2：状态监测应用（图片来源: ADI）
如上图，状态监测应用正在从传统设备应用（泵、压缩机和风扇）扩展到数控机床、机床、编码器、传送带、机器人和仪器的新应用。
10BASE-T1L如何连接？
通过10BASE-T1L连接现场设备，一般需要以下四个部分: 传感器、集成MAC功能的控制器、PHY收发器、SPE单对双绞线。
图3：基于10BASE-T1L连接现场设备（图片来源: ADI）
- 传感器
由于收集现场的节点设备产生的数据，比如，机床马达上的振动传感器。可参考的相关技术资源如下：
- MCU控制器
- 10BASE-T1L MAC+PHY收发器
通过下表，我们先了解一下什么是MAC和PHY，以及他们之间的区别。
表2：MAC和PHY的比较
| MAC（Media Access Control) 媒体访问控制 | PHY（Physical Layer）物理层接口 |
| 在数据链路层上的起作用 | 在物理层上的起作用 |
| 提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制等功能。 | 定义了数据传送与接收所需要的电信号、时钟基准、数据编码等。 |
一些10BASE-T1L收发器，集成了MAC与PHY两个功能。比如，ADI ADIN1110， 集成了MAC与PHY两个功能, 通过SPI接口与MCU相连。
还有一些10BASE-T1L收发器只包含PHY功能。比如，ADI ADIN1100, ADIN1200，ADIN1300，这就需要MCU带有MAC功能，PHY芯片与MCU通过MII/RMII/RGMII接口相连。
- SPE单对双绞线
10BASE-T1L标准没有定义特定的传输介质（电缆）；相反，它定义了信道模型（回波损耗和插入损耗要求）。
单对以太网（SPE）物理层，SPE在单对双绞线上运行，可以在1km的距离上提供10mbps的速度，同时可以传输数据和电源。单对双绞线布线具有成本低、尺寸小、易于安装等优点。
有关单对双绞线的更多信息，可以访问Digi-Key单对双绞线。
10BASE-T1L的优势在哪里？
IEEE 802.3cg™-2019标准用于规范管理10BASE-T1L连接。这个单对以太网（SPE）媒介标准可实现10Mbps的通信速度，并支持通过长达1 km的单条双绞线提供电源和传输数据。
 | 单双绞线布线 | 成本更低，尺寸更小，更易于安装 |
 | 传输距离长 | 长达1km |
 | 传输速度快 | 10 Mbps带宽 |
 | 传输功率与数据 | 1区（本质安全应用），高达60W 0区（非本质安全应用），可达500mW |
下表中，我们对10BASE-T1L与现有的有线技术进行了比较，10BASE-T1L的性能优势也就一目了然了。
表3：10BASE-T1L与当前使用的有线技术进行了比较
当然10BASE-T1L也不是完全完美的，10BASE-T1L也留下了安全隐患。通过加密设备ID进行的设备安全认证、数据传输加密、设置阻止外部实体访问安全设备的防火墙，可以大幅降低风险。
本文小结
10BASE-T1L消除了对复杂、耗电的网关的需求，有望将IIoT的优势扩展到工厂、建筑和加工厂的偏远角落，甚至扩展到目前为止传感器和其他端点连接受限的危险地点，从而加速工业4.0的发展。
更多有关通信协议的文章, 请点击以下链接访问，也欢迎大家在文末留言讨论。
- PLC通信协议
- 为什么要采用以太网供电（PoE）
- 用于 M2M 和物联网功能的应用层协议选项
- 运用现成的 IEEE 802.3bt 解决方案进行大功率以太网供电设计
- I²C与SPI协议
- 利用性能稳定的确定性工业以太网替代标准以太网
———————————————————–
如有任何问题，欢迎联系得捷电子Digi-Key客服团队。
中国(人民币)客服
－ 400-920-1199
－ service.sh@digikey.com
－ QQ在线实时咨询 |QQ号：4009201199
中国(美金)／ 香港客服
－ 400-882-4440
－ 8523104-0500
－ china.support@digikey.com
到微信搜寻“digikey”或“得捷电子”
关注我们官方微信
并登记成会员，
每周接收工程师秘技，
赚积分、换礼品、享福利
