10BASE-T1L: новый стандарт передачи данных


Связь и обмен данными между различными устройствами необходимы сегодня во многих областях повседневной жизни. Растущее количество электронных устройств и огромное увеличение объемов данных, вызванное оцифровкой промышленности и быта, вызывают изменения в коммуникационных технологиях.

Например в таких областях как автоматизация процессов, интегрированные сети в настоящее время считаются необходимыми для обеспечения связи между предприятиями. Данные необходимо загружать с машин, обрабатывать, а затем доставлять в IT-системы, управляющие производством на уровне компании. Поскольку существующие решения, такие как петли 4-20 мА или полевые сети, все больше достигают своих пределов в области передачи данных, Ethernet становится общепринятым стандартом. И наиболее важным на сегодняшний день выступает новый стандарт 10BASE-T1L, то есть 2-х проводное решение, работающее на линиях длиной до 1000 м при скорости передачи 10 Мбит/с с поддержкой таких протоколов, как PROFINET, EtherNet/IP, OPC UA, Modbus-TCP и другие.

  • дальность действия – до 1 км
  • проводники 18AWG (0.8 мм2)
  • до 10 промежуточных разъёмов
  • режим работы точка-точка
  • полный дуплекс
  • символьная скорость 7.5 Мбод
  • модуляция PAM-3, кодирование 4B3T
  • сигнал с амплитудой 1 В или 2.4 В
  • поддержка Energy Efficient Ethernet (EEE)

Стандартное 4-х проводное решение Ethernet быстро меняется на 2-х проводную версию, известную как 10BASE-T1L, состоящую из одной витой пары — одиночной пары Ethernet, SPE. Помимо физического уровня, SPE совместим с существующими технологиями промышленного Ethernet и обеспечивает скорость связи 100 или 1000 Мбит/с.

10BASE-T1L становится стандартом, особенно в области автоматизации процессов, и может вызвать глубокие изменения в этой области. Из-за больших поддерживаемых расстояний (до 1000 м и более) между компьютером и датчиками или исполнительными механизмами, для их соединения обычно использовался аналоговый интерфейс 4–20 мА или сети Fieldbus, Profibus. Теперь все эти решения можно заменить одним общим SPE.

Название 10BASE-T1L примерно объясняет значение и параметры. «10» означает скорость передачи – 10 Мбит/с. «BASE» означает основную полосу, а «T» — витую пару проводов. Цифра «1» указывает на стандартную дальность 1 км, а «L» означает «большую дальность», что говорит о возможности работы даже на 1 км.

10BASE-T1L: новый стандарт передачи данных

Для справки стоит добавить, что в промышленности используются и другие сетевые технологии, такие как 10BASE-2 — тонкий коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 185 м, 10BASE-5 — толстый коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 500 м, 10BASE-F (кабель-волокно) или 10BASE-36 — широкополосный коаксиальный кабель с несколькими каналами основной полосы частот и максимальной длиной сегмента 3600 м.

10BASE-T1L: новый стандарт передачи данных

10BASE-T1L предлагает возможность использования существующей 2-х проводной инфраструктуры для линии связи протяженностью до 1000 м со скоростью передачи 10 Мбит/с. Физическая часть Ethernet определяется только на уровне 1 (физическом) модели взаимодействия открытых систем (OSI). Выше этого уровня передачи битов 10BASE-T1L поддерживает популярные протоколы Ethernet, такие как Profinet, Modbus и так далее, а также другие системы шин, например BACnet, KNX и LON, которые обычно используются в системах автоматизации зданий.

10BASE-T1L: новый стандарт передачи данных
Работа 10BASE-T1L

10BASE-T1L реализуется со специальным физическим уровнем Ethernet на уровне 1. Кадры Ethernet передаются между MAC адресом и физическим через независимый от среды интерфейс (MII), сокращенный MII (RMII) или сокращенный гигабитный MII (RGMII). MAC определяется стандартом Ethernet IEEE 802.3 и реализуется на канальном уровне (уровень 2). PHY создает физический коммуникационный интерфейс и отвечает за кодирование и декодирование данных между средой передачи и цифровой системой.

Где используется 10BASE-T1L

10BASE-T1L предназначен для замены стандартного контура 4–20 мА во многих, если не в большинстве приложений автоматизации производства. Это не означает что существующие устройства, подключенные по такой схеме, должны быть заменены более новыми версиями, поддерживающими 10BASE-T1L. Можно подключать их с помощью программно-конфигурируемых модулей ввода-вывода (SWIO) (soft ware configurable I/O), где есть возможность определить режим работы линии, что позволяет быстро и легко коннектить устройства без необходимость их перепрошивки. Каналы могут быть сконфигурированы как входы или выходы, как по току, так и по напряжению, а также как цифровые и аналоговые. На рисунке показан пример подключения обычных полевых устройств с токовой петлей 4–20 мА и новых решений с 10BASE-T1L.

10BASE-T1L: новый стандарт передачи данных
Пример сетевой архитектуры со старым и новым сетевым оборудованием

10BASE-T1L использует два режима передачи: 2,4 В для кабелей длиной до 1000 м и 1 В для более коротких расстояний, до 200 м. Благодаря низковольтной дифференциальной передаче с размахом 1 В, SPE может могут использоваться во взрывозащищенных средах и отвечают строгим требованиям по максимальному энергопотреблению для обеспечения нулевого искрения.

Ethernet-APL также обеспечивает простые установки автоматизации процессов с подключением «поле-облако», включая связь с потенциально взрывоопасными средами для установок в пищевой, фармацевтической, нефтяной и газовой промышленности. Более того, APL также определяет условия питания по одной витой паре.

В 10BASE-T1L не определена конкретная среда передачи (кабель). Указаны только требования к обратным потерям и вносимым потерям. Кабели полевой шины Type А являются предпочтительным выбором, позволяющим повторно использовать существующие кабели Profibus или Foundation Fieldbus. 10BASE-T1L легко работает с симметричной парой проводов на кабеле длиной до 1000 м. Однако в промышленной среде с помехами требуется экранированный кабель, такой как кабель Type А, с соответствующими винтовыми или пружинными клеммами. Некоторые схемы коммутации 10BASE-T1L имеют встроенные функции диагностики, которые сразу проверяют качество сигнала в кабелях, что позволяет оценить их пригодность.

Полезное:  Лазерный гравировальный мини станок с ЧПУ

Главные преимущества 10BASE-T1L

Обычные сети 4–20 мА с аппаратным обеспечением HART и Fieldbus имеют ограниченную полосу пропускания передачи, всего в несколько кбит/с. С 10BASET1L можно достичь скорости 10 Мбит/с по тому же кабелю. Это позволяет передавать не только значения процесса, но и дополнительные параметры устройства, такие как информация о конфигурации и параметры. В будущем возможные обновления программного обеспечения для все более сложных датчиков, а также диагностика неисправностей, будут возможны посредством связи по линиям передачи данных. Конфигурация также упрощается, поскольку для 10BASE-T1L больше не требуются шлюзы и преобразователи. Устранение таких устройств значительно снижает стоимость и сложность этих старых блоков, а создаваемые ими данные больше не являются препятствием для эффективной связи.

Сравнение Петля 4–20 мА с HART Foundation Fieldbus 10BASE-T1L
Пропускная способность данных 1,2 кбит/с 31,25 кбит/с 10 Мбит/с
Подключение к сети Ethernet более высокого уровня Сложные шлюзы Сложные шлюзы Нет шлюзов, надежное подключение
Передача питания к датчику Не более 40 мВт Возможности питания ограничены Для опасных сред: 500 мВт;

Для безопасных сред: до 60 Вт

Кроме того, по линии передачи данных может передаваться больше энергии. В опасных зонах это может быть 500 мВт, а в других до 60 Вт. Стандарты Ethernet, такие как PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA или Modbus-TCP, и протоколы IoT, такие как MQTT, также позволяют легко подключать объекты устройств с облаком.

Работа 10BASE-T1L с коммутаторами

Как и в случае со стандартным Ethernet, в 10BASE-T1L есть устройства, позволяющие подключать разные сегменты сети и поддерживающие разные топологии. В таких местах часто используются свичи. Они обеспечивают резервирование соединений и лучшую доступность услуг благодаря использованию кольцевой топологии. В автоматизации соединения с устройствами, датчиками и исполнительными механизмами также называются ответвлениями, а соединения между свичами и системой управления — транковыми соединениями.

10BASE-T1L: новый стандарт передачи данных
Схема фрагмента сети с использованием коммутаторов 10BASE-T1L

Дальнейшие возможности возникают из-за постоянно растущей интеграции устройств. Например коммутатор 10BASE-T1L может быть интегрирован с датчиком, к которому будут подключаться дополнительные датчики, которые также могут питаться от него. На рисунке далее показан пример подключения сетевого коммутатора.

10BASE-T1L: новый стандарт передачи данных
10BASE-T1L связь с датчиком

Связь с устройством, поддерживающим 10BASE-T1L, происходит через хост. Обычно для этого требуется наличие встроенной функции MAC, пассивного медиаконвертера или коммутатора с портами 10BASE-T1L.

Питание по коммуникационному кабелю

Протокол Формат пакетов Длина кабеля Битовая скорость Питание через кабель передачи данных Разъем
PROFIBUS PA UART/

PROFIBUS

1200 м 31,25 кбит/с, шина, полудуплекс Ест M12, винтовые терминалы
ModbusRTU
и другие RS-485-протоколы
UART/Modbus 185 кбит/с: до 1200 м;

375 кбит/с: до 300 м;

500 кбит/с: до 200 м

Типично 19,2 кбит/с, шина, полудуплекс Нет DB9, M12
I/O Link(Profibus) I/O link 20 м Максимально 230,4 кбит/с, полудуплекс Нет M12
Токовая петля 4–20 мА Аналоговый интерфейс Не менее 10 км –/– Есть, 36 мВ Винтовые терминалы
HART С цифровой модуляцией петли 4–20 мА Не менее 1500 м 1200 бит/с, шина, полудуплекс Есть, 36 мВ Винтовые терминалы
10BASE-T1L Ethernet IEEE 802.3 1000 м (2,4 В) до 10 разъемов (клеммные коробки) 10 Мбит/с,

дуплекс

Есть, до 60 Вт

В опасных зонах (зона 0) до 500 мВ

Винтовые терминалы или разъем IDC, доп. разъем однопарного Ethernet

Стандарт 10BASE-T1L не только позволяет обмениваться данными с датчиками и исполнительными механизмами по паре проводов, но также позволяет запитывать их по одним и тем же сигнальным линиям. Он может обеспечить передачу до 60 Вт мощности для устройств в неискробезопасных зонах. Во взрывоопасных зонах мощность ограничивается 500 мВт. В этом случае амплитуда дифференциального сигнала также снижается со стандартных 2,4 В до 1 В, чтобы соответствовать жестким требованиям по максимальному энергопотреблению.


НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ