借助10Base-T1L SPE優(yōu)化IIoT網(wǎng)絡(luò)

引言

一直以來，工業(yè)控制和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主要依賴于4mA-20mA和現(xiàn)場總線連接，并采用專有技術(shù)來滿足更高速或更專業(yè)的用例，并一直為許多工業(yè)應(yīng)用提供著良好的服務(wù)。但近年來，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型應(yīng)用的興起，將傳感器、執(zhí)行器和控制器設(shè)備的密度和性能標(biāo)準(zhǔn)推向了新的高度。IIoT應(yīng)用的新功能和用例在很大程度上受到現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)10Mbps傳輸速率的制約，而其日益增長的需求促使人們采用其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來填補(bǔ)這一空白。采用單對以太網(wǎng) (SPE) 的10Base-T1L是一種很有前途的替代技術(shù)，適用于許多需要更高數(shù)據(jù)傳輸速率的4mA-20mA和現(xiàn)場總線系統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)還支持電力傳輸和其他一系列有吸引力的功能。當(dāng)然，新技術(shù)也意味著對共模扼流圈 (CMC)、隔離電感器和差模電感器 (DMI) 有不同的要求。

（圖源：Atchariya63- stock.adobe.com）

本文將討論10Base-T1L和SPE在工業(yè)應(yīng)用中的使用情況，以及這種搭配如何大幅提高工業(yè)網(wǎng)絡(luò)性能并釋放新IIoT技術(shù)的潛力。此外，我們還將討論實(shí)施10Base-T1L和SPE的參考設(shè)計(jì)和元件要求。

以太網(wǎng)和10Base-T1L

SPE是IEEE 802.3定義的一種有線通信標(biāo)準(zhǔn)，對基本以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了有效地轉(zhuǎn)換以使用單線對。數(shù)據(jù)線供電 (PoDL) 標(biāo)準(zhǔn)是指通過通信線路傳輸電力，目的是盡量減少電力和通信布線。在工業(yè)應(yīng)用中，10Base-T1L的傳輸速率可達(dá)10Mbps，傳輸距離為1000米；在汽車或航空應(yīng)用中，傳輸距離為15米。10Base-T1L由IEEE 802.3cg定義，帶寬范圍為0.1至20MHz。

PoDL最初針對汽車和類似應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，而在常規(guī)以太網(wǎng)應(yīng)用中則采用了以太網(wǎng)供電 (PoE)。IEEE 802.3第104條針對10Base-T1S/T1L的PoDL部分進(jìn)行了擴(kuò)展，添加了SPoE功率等級10至15，主要用于樓宇自動(dòng)化和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。SPoE的功率等級是針對IIoT等運(yùn)營技術(shù) (OT) 網(wǎng)絡(luò)定義的。SPoE將使用20、24或30VDC的長、中和短電纜分別定義為10、11和12級， 將使用50、55和58VDC的長、中和短電纜定義為13、14 和 15級。SPoE不像PoDL那樣分為穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓功率等級，因此SPoE可以提供1.23W至52W的功率（表1）。

表1：10Base-T1L和SPoE的IEEE 802.3 cg功率等級（來源：EPCOS / TDK）

從本質(zhì)上講，工業(yè)以太網(wǎng)和商業(yè)以太網(wǎng)采用的是相同的協(xié)議。然而，它們所采用的通信硬件卻完全不同，工業(yè)以太網(wǎng)傾向于使用更堅(jiān)固耐用的硬件，這些硬件針對極端環(huán)境進(jìn)行了更好的優(yōu)化，并考慮到了可靠性、耐化學(xué)性、耐火性、高/低工作溫度范圍以及其他因素。在許多情況下，由于商業(yè)以太網(wǎng)硬件的使用壽命有限以及可能會(huì)出現(xiàn)早期故障，再加上工業(yè)環(huán)境的特殊性，因此不適合用于工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用。

此外，10Base-T1L等技術(shù)是專為汽車、工業(yè)和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用而設(shè)計(jì)，支持的一組硬件選項(xiàng)比商業(yè)以太網(wǎng)更適合這些環(huán)境用例。商業(yè)以太網(wǎng)傾向于在整個(gè)設(shè)施的IT網(wǎng)絡(luò)硬件中采用高速以太網(wǎng)電纜，而工業(yè)應(yīng)用則傾向于采用支持PoDL/SPoE的緊湊型SPE，以最大限度地減少電纜體積，并在不增加過多、不必要布線的情況下提升與傳統(tǒng)布線基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性。幸運(yùn)的是，10Base-T1L SPoE系統(tǒng)可為傳感器、執(zhí)行器或控制硬件提供從設(shè)備到云端的IT/OT連接和電源。

實(shí)施情況

要實(shí)現(xiàn)10Base-T1L SPoE，至少需要使用一個(gè)共模扼流圈 (CMC)，但根據(jù)應(yīng)用的不同，可能還需要差模電感器 (DMI) 和電隔離變壓器。如果應(yīng)用只需要在控制收發(fā)器和終端設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，則僅需要在雙絞線和PHY/LPF控制器之間使用CMC。如果電源和數(shù)據(jù)要在同一雙絞線上傳輸，則還需要使用DMI將VCC和GND單端線路等供電設(shè)備 (PSE) 橋接到雙絞線上，并最好在CMC之前。最后，在可能存在重大安全隱患的情況下，通常需要進(jìn)行電隔離。為此，需要在PHY/LPF與控制和終端設(shè)備硬件的下游電路之間增加一個(gè)隔離變壓器。

圖1顯示了DMI和CMC組件在符合802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的10-14類應(yīng)用電路中的最佳位置。此參考電路的電源和數(shù)據(jù)通過電源耦合網(wǎng)絡(luò) (PCN) 在介質(zhì)相關(guān)接口 (MDI) 上耦合在一起。直流電源通過DMI耦合到SPoE線路中，如圖2中L1所示。L2處的CMC在MDI處提供共模阻斷。DMI (L1) 和CMC (L2) 值的選擇對于滿足IEEE 802.3cg中列出的最大功率等級的回波損耗、模式轉(zhuǎn)換和衰減要求非常重要。

圖1：10Base-T1L SPoE框圖，顯示需要時(shí)差模電感器 (DMI)、共模扼流圈 (CMC) 和電隔離變壓器在工業(yè)SPE應(yīng)用中的位置 （圖源：EPCOS / TDK）

圖2：LTC4296-1 802.3cg 10至14類參考設(shè)計(jì)，以及針對各種功率等級推薦的SPoE電感器和電源+數(shù)據(jù)共模扼流圈 （圖源：Analog Devices）

據(jù)制造商稱，圖2所示方法一般推薦用于10至14類10Base-T1L SPoE應(yīng)用，建議使用PHY端PCN拓?fù)?，通過CMC (L2) PHY端的DMI (L1) 注入電源。這樣，電源和數(shù)據(jù)都可以通過CMC傳輸。對于15類應(yīng)用，建議通過DMI在線路側(cè)注入電源，并為電源和數(shù)據(jù)路徑配備單獨(dú)的CMC。EPCOS / TDK工業(yè)單電源以太網(wǎng) (SPE) 電感器非常適合這些應(yīng)用，推薦用于SPoE PSE控制器應(yīng)用。這些工業(yè)SPE電感器設(shè)計(jì)符合工業(yè)SPE應(yīng)用的電流、電壓和電感規(guī)格，并遵守ROHS標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍為-40°C至+125°C。EPCOS / TDK提供了專為工業(yè)SPE/SPOE應(yīng)用設(shè)計(jì)的RCM70CGI-471 CMC、ICI70CGI隔離電感器和PID SMD功率電感器。

結(jié)語

隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，現(xiàn)已囊括需要更高功率且與內(nèi)網(wǎng)和云兼容的高數(shù)據(jù)速率設(shè)備，我們更加需要工業(yè)以太網(wǎng)解決方案來為大量新興的IIoT設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸和電源。10Base-T1L能夠支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)線供電以及其他功能，優(yōu)于傳統(tǒng)和其他商用以太網(wǎng)解決方案，成為了取代傳統(tǒng)4mA-20mA和現(xiàn)場總線連接的最佳選擇。

作者

Jean-Jacques (JJ) DeLisle就讀于羅切斯特理工學(xué)院 (RIT)，并獲得了電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。在學(xué)習(xí)期間，JJ從事射頻/微波研究，為大學(xué)雜志撰稿，并且是RIT第一個(gè)即興喜劇團(tuán)的成員。在拿到學(xué)位之前，JJ就擔(dān)任了Synaptics公司的集成電路布局和自動(dòng)化測試設(shè)計(jì)工程師。經(jīng)過6年開發(fā)和鑒定內(nèi)置同軸天線和無線傳感器技術(shù)的原創(chuàng)性研究，JJ在提交了多篇技術(shù)論文并獲得一項(xiàng)美國專利后離開了RIT。

為了進(jìn)一步發(fā)展他的事業(yè)，JJ和妻子Aalyia搬到了紐約市。在這里，他擔(dān)任了《Microwaves & RF》（微波與射頻）雜志的技術(shù)工程編輯。在此期間，JJ學(xué)會(huì)了如何將他的射頻工程技能以及技術(shù)寫作熱情結(jié)合起來。

在JJ職業(yè)生涯的下一個(gè)階段，他看到業(yè)界對有技術(shù)能力的作家和客觀的行業(yè)專家有很大的需求，于是轉(zhuǎn)而創(chuàng)辦了自己的公司RFEMX。在朝著這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)的同時(shí)，JJ擴(kuò)大了自己公司的業(yè)務(wù)范圍和愿景，開始從事信息交換服務(wù) (IXS) 業(yè)務(wù)。

供應(yīng)商簡介

TDK Corporation創(chuàng)建于1935年，是世界上率先把日本發(fā)明的磁性材料鐵氧體成功商業(yè)化的公司?，F(xiàn)在，TDK 是全球最大的電子元器件制造商之一，在全球30多個(gè)國家和地區(qū)擁有超過130個(gè)銷售辦公室和制造基地。