10BASE-T1L技術(shù)真的會取代4mA至20mA和HART接口嗎？

2019年11月對IEEE 802.3cg標準的認可標志著引入工廠操作員在網(wǎng)絡(luò)邊緣連接設(shè)備截然不同的新方式，使他們不再受到基于傳統(tǒng)4 mA至20 mA和HART®通信接口的基礎(chǔ)設(shè)施的限制。

802.3cg標準也稱為10BASE-T1L，是一種工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過該協(xié)議，可以打破在工廠執(zhí)行一線服務(wù)的基本操作設(shè)備（傳感器、閥、執(zhí)行器和控件）與實現(xiàn)新智能工廠智能的企業(yè)數(shù)據(jù)、比特和字節(jié)庫之間的屏障。10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò)將成為向數(shù)據(jù)和分析驅(qū)動型工廠運營模式轉(zhuǎn)變的重要推動因素，這種趨勢被稱為工業(yè)4.0。

這是否意味著工業(yè)工程師就應(yīng)準備用10BASE-T1L基礎(chǔ)設(shè)施替換4 mA至20 mA或HART系統(tǒng)，即使802.3cg標準才剛剛設(shè)定？

圖1. 10BASE-T1L可對工廠網(wǎng)絡(luò)邊緣進行大數(shù)據(jù)分析。

工業(yè)4.0實施正在橫掃每一個現(xiàn)代工廠運作。工業(yè)4.0的核心是希望通過大數(shù)據(jù)獲利。新分析軟件已經(jīng)開始改變工業(yè)操作和維護工廠設(shè)備及廠房的方式。當通過分析得到的見解揭示明顯不同的數(shù)據(jù)集的模式時，通常是最深刻的。

能夠從工廠設(shè)備中可靠地獲取的數(shù)據(jù)越多，數(shù)據(jù)類型越多，軟件支持狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測性維護等先進功能的機會就越多。4 mA至20 mA和HART接口的低數(shù)據(jù)帶寬以及將其集成到企業(yè)計算基礎(chǔ)設(shè)施的有限范圍，阻礙了工程師向這些傳統(tǒng)端點應(yīng)用分析。4 mA至20 mA和HART技術(shù)還限制了可供應(yīng)給端點的電量和遠程操作設(shè)備的范圍。

因此，通過將現(xiàn)有4 mA至20 mA或HART設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)?0BASE-T1L可獲得數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，使用這些數(shù)據(jù)后，可提高生產(chǎn)力和效率。智能互聯(lián)工廠通常能夠減少計劃外停機，減少能源浪費，更好地利用設(shè)備和其他資產(chǎn)，以及更有效地部署人員。10BASE-T1L連接承諾將這些優(yōu)勢延伸到工廠的各個角落，在這些地方，傳感器和其他端點在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)范圍之外運行。
10BASE-T1L：更高的數(shù)據(jù)速率和功率輸出

安裝10BASE-T1L設(shè)備的情況取決于802.3cg標準提供的一組功能。10BASE-T1L連接提供以下功能：

• 通過長達1千米的電纜實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)速率10 Mbps。

• 向Zone 0本質(zhì)安全應(yīng)用中的端點提供高達500 mW功率，從而操作比4 mA至20 mA或HART系統(tǒng)所能支持的更廣泛、更復雜的端點。它還可向非本質(zhì)安全應(yīng)用提供高達60 W功率，具體取決于布線。

• 有可能重復使用現(xiàn)有、已安裝的雙絞線。

• 豐富的設(shè)備管理選項，包括從連接的設(shè)備提供診斷數(shù)據(jù)，以及為其提供軟件更新。

• 每個節(jié)點的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)地址，將物聯(lián)網(wǎng)功能擴展到工廠網(wǎng)絡(luò)邊緣。通過IP地址，不僅可監(jiān)控節(jié)點，還可遠程管理節(jié)點。

• 與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施集成。

從硬件的角度來看，實施10BASE-T1L設(shè)備通常很簡單。這是因為用于10BASE-T1L通信的物理介質(zhì)是一根雙絞線。這甚至可能是傳 輸4 mA至20 mA或HART通信的同一根電纜。802.3cg標準支持安裝在危險（防爆）環(huán)境中。

早期可能在混合設(shè)備上實施10BASE-T1L，混合設(shè)備同時支持舊接口（如4 mA至20 mA）和新工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。
在10BASE-T1L上取得成功

ADI公司將在許多客戶采用工業(yè)4.0技術(shù)的過程中扮演重要角色。我們的經(jīng)驗表明，兩個關(guān)鍵因素將決定10BASE-T1L項目是否成功：

• 對數(shù)據(jù)的關(guān)注

• 網(wǎng)絡(luò)安全性

一旦關(guān)注起10BASE-T1L實施的操作細節(jié)，工程師可能就會忽略實施它的原因，即揭開端點（如傳感器）操作的真相，并將其中的豐富數(shù)據(jù)流饋入企業(yè)級數(shù)據(jù)分析引擎中。

因此，10BASE-T1L項目取得成功面臨的最大風險不是端點本身，而是物理基礎(chǔ)設(shè)施；問題通常出現(xiàn)在后端，當對處理和使用來自新連接端點的數(shù)據(jù)集準備不充分時。

因此，著手安裝10BASE-T1L的工業(yè)工程師應(yīng)該考慮到這些問題：

• 通過從傳感器和其他端點獲得的數(shù)據(jù)，我能獲得哪些類型的見解？

• 如何將這些數(shù)據(jù)整合到企業(yè)級控制系統(tǒng)？來自端點的數(shù)據(jù)的格式是否兼容或是否需要轉(zhuǎn)換？

• 通過數(shù)據(jù)分析得出的見解將如何改進過程或系統(tǒng)？

工程師要面臨的第二個關(guān)鍵問題是安全性。只要端點通過10BASET1L 網(wǎng)絡(luò)連接，端點面臨的威脅的性質(zhì)就會發(fā)生很大的改變。以 前通過4 mA至20 mA連接時，不夠復雜的連接降低了攻擊風險。

工程師要面臨的第二個關(guān)鍵問題是安全性。只要端點通過10BASET1L 網(wǎng)絡(luò)連接，端點面臨的威脅的性質(zhì)就會發(fā)生很大的改變。以 前通過4 mA至20 mA連接時，不夠復雜的連接降低了攻擊風險。

這意味著，各個節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施本身必須通過實施各種技術(shù)來確保安全，如：

• 通過加密設(shè)備ID進行的設(shè)備安全認證

• 數(shù)據(jù)傳輸加密

• 阻止外部實體訪問安全設(shè)備的防火墻

圖2. 使用10BASE-T1L為企業(yè)級數(shù)據(jù)分析引擎解鎖豐富的數(shù)據(jù)流。

在802.3cg標準認可后，一直在加速開發(fā)10BASE-T1L兼容的組件和設(shè)備。在我們這方面，ADI一直與工業(yè)設(shè)備制造商合作，確保他們能夠遵循路線圖，推出支持10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。業(yè)界預(yù)計，到2021年中提供10BASE-T1L功能的產(chǎn)品將上市。

ADI在支持客戶實施新技術(shù)方面的豐富經(jīng)驗將有助于成功推出這些10BASE-T1L產(chǎn)品。工業(yè)自動化部門將支持這種技術(shù)的實施，因為這個部門將以技術(shù)為中心的開發(fā)人員和專注于客戶應(yīng)用的市場導向型人員組合在一起。這種基于團隊的模式將技術(shù)專業(yè)知識與市場洞察力相結(jié)合，帶給客戶正確的指導。

對于10BASE-T1L，這種模式將提供PHY產(chǎn)品并支持完整通信堆棧。它還考慮到了工業(yè)產(chǎn)品較長的商業(yè)使用壽命，由預(yù)測連續(xù)生產(chǎn)數(shù)十年兼容10BASE-T1L產(chǎn)品來滿足工業(yè)客戶期戶的路線圖支持。

ADI公司和其他公司快速開發(fā)10BASE-T1L組件，將使工業(yè)設(shè)備制造商能夠開始開發(fā)支持工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的新產(chǎn)品。在支持標準開發(fā)過程的強大工業(yè)公司聯(lián)盟的支持下，10BASE-T1L技術(shù)預(yù)計將取代4 mA至20 mA和HART接口，并加速采用工業(yè)4.0。

圖3. ADI Chronous、可擴展以太網(wǎng)、恰到好處。