【導(dǎo)讀】為了使所有這些獨(dú)立的設(shè)備能夠可靠地通信，工廠需要采用安全可靠的協(xié)議。在過去，通信依賴于包括HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profibus和CAN在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的混合使用。這種碎片化意味著需要昂貴的網(wǎng)關(guān)來連接不同的標(biāo)準(zhǔn)，而且維護(hù)變得既困難又昂貴。
簡(jiǎn)介
如今的工廠正在越來越多地采用智能技術(shù)，諸如機(jī)床、機(jī)器人、執(zhí)行器和傳感器等設(shè)備都能生成、傳輸和接收數(shù)據(jù)。
為了使所有這些獨(dú)立的設(shè)備能夠可靠地通信，工廠需要采用安全可靠的協(xié)議。在過去，通信依賴于包括HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profibus和CAN在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的混合使用。這種碎片化意味著需要昂貴的網(wǎng)關(guān)來連接不同的標(biāo)準(zhǔn)，而且維護(hù)變得既困難又昂貴。
取而代之的是，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)正在迅速成為工廠車間的首選骨干網(wǎng)絡(luò)。在本文中，我們將探討為什么10BASE-T1S，作為一種單對(duì)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，成為了替代傳統(tǒng)以太網(wǎng)和硬連線解決方案用于工業(yè)自動(dòng)化的首選通信協(xié)議。
了解 10BASE-T1S 及其優(yōu)勢(shì)
10BASE-T1S 由 IEEE 規(guī)范 802.3cg 定義，是一種多點(diǎn)、無沖突的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。它在非屏蔽、雙絞線、單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）線纜上運(yùn)行，顧名思義，它的數(shù)據(jù)傳輸速率為 10 Mb/s，比許多傳統(tǒng)的工廠網(wǎng)絡(luò)快得多。
10BASE-T1S 既可以在點(diǎn)對(duì)點(diǎn) (P2P) 配置中使用，也可以在多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用，這是與需要 P2P 連接的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相比的主要優(yōu)勢(shì)。
多點(diǎn)配置意味著網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)設(shè)備之間的每條鏈路都不需要有自己專用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。這降低了布線的復(fù)雜性、成本和重量，使 10BASE-T1S 能夠提供符合工業(yè)應(yīng)用需求的安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
圖 1 顯示了 10BASE-T1S 系統(tǒng)的多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持至少八個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可以在混合網(wǎng)段（Mixing Segment）上串聯(lián)連接，或者位于推薦最大長(zhǎng)度不超過10厘米的分支末端。
圖 1：10Base-T1S 多點(diǎn)傳輸、混合網(wǎng)段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
對(duì)于智能工廠而言，采用 10BASE-T1S 可提高互操作性，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有系統(tǒng)的無縫集成，使其更易于部署。與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相比，由于具備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)閉PHY（物理層）發(fā)射器等多重技術(shù)特性，10BASE-T1S能夠降低功耗。
雖然 IEEE 802.3cg 規(guī)范未定義多點(diǎn)網(wǎng)段的數(shù)據(jù)線供電（PoDL），但可以通過同一根電纜傳輸直流電和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。這種 “工程 PoDL ”是一種無需任何協(xié)商協(xié)議即可為多點(diǎn) 10BASE-T1S 網(wǎng)段提供數(shù)據(jù)線供電的系統(tǒng)。 10BASE-T1S 多點(diǎn) “工程 PoDL ”目前已經(jīng)可以使用，IEEE802.3da標(biāo)準(zhǔn)即將正式確定10BASE-T1S多點(diǎn)PoDL，并預(yù)計(jì)將在2024年底或2025年第一季度獲得批準(zhǔn)。
工業(yè) 5.0 的連接性
工廠中的傳感器、執(zhí)行器和其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)大幅增加，預(yù)計(jì)到 2030 年將超過 2 億臺(tái)（2020 年為 8170 萬臺(tái)）。雖然其中一些設(shè)備將采用無線連接，但對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)健性仍有大量需求，特別是隨著人工智能（AI）越來越多地應(yīng)用于智能工廠邊緣設(shè)備。
如前所述，10BASE-T1S 以太網(wǎng)的出現(xiàn)正在快速取代智能工廠中的傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，為工業(yè) 4.0 提供可靠的有線通信。10BASE-T1S 可將各種系統(tǒng)無縫集成到一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中，從而無需使用笨重的網(wǎng)關(guān)。
10BASE-T1S 的布線要求降低，有助于實(shí)現(xiàn)更輕便、更靈活的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還能降低成本。展望工業(yè) 4.0，10BASE-T1S 將成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域未來的有線連接標(biāo)準(zhǔn)之一，為工業(yè) 5.0 奠定基礎(chǔ)。
在一個(gè)例子中，安森美（onsemi）的一位客戶在其智能工廠中從機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)向聯(lián)網(wǎng)的電子版本，由于采用了10BASE-T1S技術(shù)，極大地降低了布線的復(fù)雜性，并減少了所需的部署時(shí)間。與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）非以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)相比，10BASE-T1S的多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)這一簡(jiǎn)化的重要因素。
10BASE-T1S 系統(tǒng)所需的布線更少，因此可以減少所需的機(jī)柜空間，節(jié)省寶貴的地面空間。由于不需要識(shí)別、添加或移除分散的電線，因此維修也更容易。
安森美助力 10BASE-T1S 技術(shù)
安森美10BASE-T1S 以太網(wǎng)控制器系列憑借可靠性和優(yōu)異性能滿足了苛刻工業(yè)環(huán)境中的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)需求。
NCN26010 是一款符合 IEEE 802.3cg 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)收發(fā)器。它包括一個(gè)媒體接入控制器（MAC）、一個(gè)物理層沖突避免（PLCA）調(diào)節(jié)子層（RS）和一個(gè)專為工業(yè)多點(diǎn)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的 10BASE-T1S 物理層（PHY）。它提供通過單根非屏蔽雙絞線收發(fā)數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能。
NCN26000還提供通過單根非屏蔽雙絞線收發(fā)數(shù)據(jù)所需的物理層功能，并通過標(biāo)準(zhǔn)的媒體獨(dú)立接口（MII）與現(xiàn)有的半雙工10 Mb/s以太網(wǎng)MAC控制器通信。這意味著它支持與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施和更復(fù)雜的設(shè)備（基于 FPGA 或 SoC）一起使用，從而使 10BASE-T1S 設(shè)備與中低復(fù)雜度的 FPGA 協(xié)同工作。
NCN26010和NCN26000最多可減少71%的物理布線，同時(shí)增加帶寬。與傳統(tǒng)的硬連線解決方案相比，它們能夠顯著減少布線時(shí)間，并提供增強(qiáng)的數(shù)據(jù)報(bào)告能力和整體效率的提升。它們緊湊的外形尺寸允許在機(jī)箱內(nèi)靈活安裝，優(yōu)化了空間利用。
總體而言，這些器件提高了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可擴(kuò)展性和多功能性。圖 2 所示的兩個(gè)選項(xiàng)凸顯了 10BASE-T1S 控制器架構(gòu)的靈活性和可擴(kuò)展性。
圖 2：三個(gè) 10BASE-T1S 控制器，MAC+PHY 和僅 PHY
帶有 MAC、PHY 和 PLCA 的 NCN26010 只需要一個(gè) 5 引腳 SPI 連接到配套的 MCU。雖然 IEEE 802.3cg 規(guī)范只規(guī)定支持多達(dá) 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)和 25 米的范圍，但實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)證明 安森美的控制器可以支持超過這一要求兩倍的范圍。通過使用安森美專有的增強(qiáng)抗噪（ENI）功能，NCN26010 在支持 16 個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，傳輸距離可達(dá) 50 米；在支持 6 個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，傳輸距離可達(dá) 60 米。通過精心選擇線纜和連接器，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的距離和/或更多的節(jié)點(diǎn)。
結(jié)語
在當(dāng)今的智能工廠中，10BASE-T1S 提供了一個(gè)強(qiáng)健、高效的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，可以取代分散的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，從而重新定義了連接性。
在安森美 NCN26010 MAC/PHY 和 NCN26000 PHY 器件中實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)，可以輕松支持工業(yè) 4.0 的連接需求，并確立了一條向工業(yè) 5.0 及未來的工業(yè)發(fā)展邁進(jìn)的路線圖。
（作者：Arndt Schübel產(chǎn)品營(yíng)銷工程師，模擬與混合信號(hào)事業(yè)部 (AMG) ，安森美）
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