新的10BASE-T1L标准有哪些变化？
thomas brand 和 thomas tzscheetzsch
我们日常生活的许多方面，都离不开各种设备之间的数据通信。数字化和工业4.0带来的设备激增和数据量的急剧增加正在改变通信领域。例如：过程自动化等领域需要使用集成网络，以支持工厂范围内的连接需求。我们必须从运营技术(ot)机器中提取并处理数据，然后将处理过的数据提供给公司层面的计算机系统(it)进行进一步处理。由于之前的4 ma至20 ma或现场总线应用在数据通信方面遇到了瓶颈，以太网开始成为通信标准。首先是新的以太网标准10base-t1l，一种2线以太网解决方案，线路长达1000米，传输速度为10 mbps，同时支持profinet、ethernet/ip、opc ua、modbus-tcp等传输协议。利用这个标准，我们可以继续使用现有的2线布线，从而避免浪费我们的投资。
本文介绍了10base-t1l的基础知识，并展示了与选择各种应用适用连接器相关的产品。通过数据线实现各种互连设备的电力传输在10base-t1l中也发挥着至关重要的作用。
简介
数据通信不仅在工业领域，在过程自动化领域也发挥着越来越重要的作用。之前的4 ma至20 ma或现场总线应用由于数据量的激增也开始遇到瓶颈，因此以太网开始成为通信标准。标准的4线以太网解决方案已发展为2线解决方案，我们称之为10base-t1l，该解决方案由单对双绞线或单对以太网(spe)组成。10base-t1l位于物理层之上，兼容现有的100 mbps或1000 mbps工业以太网技术，因此可作为一种补充。
10base-t1l开始标准化，尤其是在过程自动化领域，并且有可能在该领域带来翻天覆地的变化。目前，该领域的传感器和执行器通常都是通过4 ma至20 ma模拟接口或现场总线进行连接。与机械工程或工厂自动化不同，过程自动化的传感器和执行器通常与控制系统或远程i/o系统有一定距离。常见的距离为200-1000米或更远。
但是10base-t1l到底是什么，这种技术具有什么优势，它为什么会成为新标准？
我们将在后续部分回答这些问题。
10base-t1l意味着什么？
10base-t1l这个名字大致解释了其含义。这里使用了电气与电子工程师协会(ieee)缩写。
介质类型中的10是指10 mbps传输速率。base是指基带信号，即只有以太网信号才能通过介质传输。t代表双绞线。数字1代表1 km范围。在这种情况下，后面跟着的l代表长距离，意味着段长可能为1 km甚至更长。
此外，还存在其他网络技术，如10base-2（最大段长为185 m的较细同轴电缆）、10base-5（最大段长为500 m的较粗同轴电缆）、10base-f（光缆）或10base-36（具有多个基带通道，且最大段长为3600 m的宽带同轴电缆）。
10base-t1l可分类至osi模型的哪一层？
10base-t1l可使用现有的2线基础设施，线路长度高达1000 m，传输速度为10 mbps。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）定义。10base-t1l在位传输层之上，支持常用以太网协议（如profinet、modbus等）以及楼宇管理系统中常用的其他总线系统（如bacnet、knx和lon）。表1为模型层及协议和总线系统概览。
osi模型层 bacnet modbus knx lon
主机层
7 | 应用 bacnet应用层 modbus knx lon
6 | 展示 —
5 | 会话
—
4 | 传输
udp (bacnet/ip)、tcp (bacnet/sc) tcp tcp
介质层 3 | 网络 bacnet网络层 ip, arp, rarp ip
2 | 数据链路 iso 8802 (ieee 802.3)
1 | 物理 屏蔽或非屏蔽单条双绞线(ieee 802.3cg)
10base-t1l可利用第1层的特殊以太网phy实现。以太网帧通过介质无关接口(mii)、简化mii (rmii)或简化千兆mii (rgmii)在mac和phy之间传输。
mac由以太网标准ieee 802.3定义，在数据链路层（第2层）中实现。phy构成物理接口，并负责传输介质和数字系统之间数据的编码和解码。
10base-t1l可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与其一起使用？
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电流环路连接的旧款现场仪表必须更换为支持10base-t1l的现场仪表。这些传统设备可通过软件可配置i/o (swio)模块进行连接，而远程i/o则用作通过10 mbps以太网上行链路与plc连接的采集点。
软件可配置i/o模块具有可重新配置的模块通道，允许模块快速、轻松地远程运行，无需大量重新配线。通道可配置为电流和电压的输入或输出，或数字和模拟的输入或输出。
在某些情况下，需要通过10base-t1l为设备供电以及传输设备数据，这被定义为标准的一部分。图1显示了通过4 ma至20 ma电流环路连接的传统现场仪表和支持10base-t1l的新型现场仪表的混合示例。
图1. 采用传统现场仪表和支持10base-t1l的现场仪表的架构示例
10base-t1l支持两种幅度模式：电缆长度不超过1000 m为2.4 v，电缆长度不超过200 m为1 v。通过采用1.0 v的峰-峰幅度模式，该技术还可以用于防爆环境（危险区域），并满足防爆环境严格的最大能耗要求。
根据行业联盟的规定，高级物理层(apl)基于10base-t1l标准构建，同时定义了过程自动化的本质安全操作。
同样，ethernet-apl支持向使用现场至云端连接的无缝过程自动化设备过渡，包括食品和饮料、制药以及石油和天然气行业中存在潜在爆炸性气体环境的区域。此外，apl还定义了通过单条双绞线线路传输的电源供应等级。
10base-t1l未定义具体的传输介质（电缆）。只规定了电缆的回波损耗和插入损耗要求。现场总线type a电缆为可选电缆。这允许重复使用现有的profibus或基金会现场总线布线。10base-t1l可通过长达1000 m的电缆与一对平衡导体一起使用，且不会出现任何问题。然而，在嘈杂的工业环境中，需要使用屏蔽电缆（如type a电缆），同时使用连接器、螺丝端子或穿孔板(punch-down block)。一些10base-t1l交换芯片具有集成诊断功能，可检查电缆信号质量。因此，10base-t1l是一项非常可靠的通信技术，即使是将电线混在一起使用也不会出现问题。
10base-t1l具有什么优势？
传统4 ma至20 ma与hart®和现场总线设备的数据带宽有限，只有几个kbps。利用10baset1l，可实现10 mbps的传输速度。这样，不仅可以传输过程值，还可以传输其他设备参数，如配置和参数化信息。未来，可以相对快速地进行日益复杂的传感器软件更新，以及故障和网络诊断（如传感器线路短路）。由于10base-t1l不再需要使用网关和变换器，配置也更简单。通过消除网关，可大大降低这些旧设备的成本和复杂性，并且可以清除这些设备产生的数据孤岛。
此外，还可以通过数据线路传输更大功率。例如：在本质安全区域（危险区域）可传输500 mw功率，在非本质安全区域甚至可传输高达60 w功率。
以太网标准（如profinet、ethernet/ip、hart-ip、opc ua或modbus-tcp）和物联网协议（如mqtt）可实现现场设备至云端的简单而强大的连接。
10base-t1l是否能够与交换模块一起使用？
与标准以太网一样，使用10base-t1l时，会有支持各种网段和设备耦合的网桥。可实现不同的网络拓扑结构，并用于向连接的设备供电。在过程自动化领域，交换机通常连接至控制器、hmi和云端。交换机允许环形拓扑结构形式的介质冗余，以提高可用性。
在过程自动化领域，与设备、传感器和执行器的连接亦称为支线，而交换机之间的连接以及至控制系统的连接则称为干线。
设备集成密度的不断增加还可以实现其他可能性。例如：10base-t1l交换机可集成到传感器中，而该传感器可直接连接至亦由该交换机供电的其他传感器。图2显示不同交换机的互连示例。
图2. 交换机互连示例图
可通过主机处理器实现与支持10base-t1l的设备通信。通常需要集成式mac功能、无源介质转换器或带有10base-t1l端口的交换机。
具有hart的4 ma至20 ma 现场总线 10base-t1l
数据带宽 1.2 kbps 31.25 kbps 10 mbps
连接至更高级别的以太网网络 复杂的网关 复杂的网关 无缝连接，无网关
仪表电源供应 <40 mw 有限 本质安全：500 mw；非本质安全：高达60 w（取决于电缆）
专业技能/专业知识 专业技能/专业知识需求较少 专业技能/专业知识需求较少 大学毕业生非常熟悉以太网
我可以通过双线实现设备供电吗？
10base-t1l标准不仅提供传感器和执行器的数据通信功能，而且还提供通过信号线路供电功能。具体来说，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2.4 v减少到1 v，以符合适用于该区域的最大能量的严格要求。然而，在本质安全区域，只能缩短传输距离。
表3概述了在不同线路长度和区域，type 18 awg电缆可能的电力传输水平。
55 v 24 v
1000 m 7.7 w 1.23 w
400 m 20 w 3.2 w
150 m 52 w 8.3 w
结论
10base-t1l为过程自动化提供了一个相对可靠的通信标准，与传统的4 ma到20 ma应用相比具有许多优势，包括重复使用现有基础设施的可能性。
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数据通信不仅在工业领域，在过程自动化领域也发挥着越来越重要的作用。之前的4 ma至20 ma或现场总线应用由于数据量的激增也开始遇到瓶颈，因此以太网开始成为通信标准。标准的4线以太网解决方案已发展为2线解决方案，我们称之为10base-t1l，该解决方案由单对双绞线或单对以太网(spe)组成。10base-t1l位于物理层之上，兼容现有的100 mbps或1000 mbps工业以太网技术，因此可作为一种补充。
10base-t1l开始标准化，尤其是在过程自动化领域，并且有可能在该领域带来翻天覆地的变化。目前，该领域的传感器和执行器通常都是通过4 ma至20 ma模拟接口或现场总线进行连接。与机械工程或工厂自动化不同，过程自动化的传感器和执行器通常与控制系统或远程i/o系统有一定距离。常见的距离为200-1000米或更远。
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此外，还存在其他网络技术，如10base-2（最大段长为185 m的较细同轴电缆）、10base-5（最大段长为500 m的较粗同轴电缆）、10base-f（光缆）或10base-36（具有多个基带通道，且最大段长为3600 m的宽带同轴电缆）。
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主机层
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5 | 会话
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10base-t1l具有什么优势？
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此外，还可以通过数据线路传输更大功率。例如：在本质安全区域（危险区域）可传输500 mw功率，在非本质安全区域甚至可传输高达60 w功率。
以太网标准（如profinet、ethernet/ip、hart-ip、opc ua或modbus-tcp）和物联网协议（如mqtt）可实现现场设备至云端的简单而强大的连接。
10base-t1l是否能够与交换模块一起使用？
与标准以太网一样，使用10base-t1l时，会有支持各种网段和设备耦合的网桥。可实现不同的网络拓扑结构，并用于向连接的设备供电。在过程自动化领域，交换机通常连接至控制器、hmi和云端。交换机允许环形拓扑结构形式的介质冗余，以提高可用性。
在过程自动化领域，与设备、传感器和执行器的连接亦称为支线，而交换机之间的连接以及至控制系统的连接则称为干线。
设备集成密度的不断增加还可以实现其他可能性。例如：10base-t1l交换机可集成到传感器中，而该传感器可直接连接至亦由该交换机供电的其他传感器。图2显示不同交换机的互连示例。
图2. 交换机互连示例图
可通过主机处理器实现与支持10base-t1l的设备通信。通常需要集成式mac功能、无源介质转换器或带有10base-t1l端口的交换机。
具有hart的4 ma至20 ma 现场总线 10base-t1l
数据带宽 1.2 kbps 31.25 kbps 10 mbps
连接至更高级别的以太网网络 复杂的网关 复杂的网关 无缝连接，无网关
仪表电源供应 <40 mw 有限 本质安全：500 mw；非本质安全：高达60 w（取决于电缆）
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10base-t1l标准不仅提供传感器和执行器的数据通信功能，而且还提供通过信号线路供电功能。具体来说，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2.4 v减少到1 v，以符合适用于该区域的最大能量的严格要求。然而，在本质安全区域，只能缩短传输距离。
表3概述了在不同线路长度和区域，type 18 awg电缆可能的电力传输水平。
55 v 24 v
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400 m 20 w 3.2 w
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结论
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