Nowy standard 10BASE-T1L – rewolucja w automatyce przemysłowej
| TechnikaKomunikacja i wymiana danych między różnymi urządzeniami jest dzisiaj niezbędna w wielu aspektach codziennego życia. Rosnąca liczba urządzeń elektronicznych i ogromny wzrost ilości danych napędzany cyfryzacją przemysłu wymuszają zmiany w technologiach komunikacyjnych.
Na przykład w obszarach takich jak automatyzacja procesów za niezbędne uznaje się obecnie zintegrowane sieci zapewniające łączność między całymi zakładami. Dane muszą być pobrane (wydobyte) z maszyn, przetworzone, a dalej dostarczone do systemów IT zarządzających produkcją na poziomie firmy. Ponieważ dotychczasowe rozwiązania takie jak pętla 4-20 mA lub sieci polowe osiągają coraz częściej swoje limity możliwości w zakresie komunikacji danych, powszechnym standardem staje się Ethernet. Największe znaczenie ma dzisiaj nowy standard 10BASE-T1L, a więc 2-przewodowe rozwiązanie działające na liniach o długości do 1000 m przy prędkości transmisji 10 Mb/s z obsługą protokołów takich jak PROFINET, EtherNet/IP, OPC UA, Modbus-TCP i innych. Dzięki niemu możliwe jest dalsze korzystanie z istniejącego okablowania 2-żyłowego, a tym samym bardzo małe koszty rozwoju, przy lepszej funkcjonalności.
Standardowe rozwiązanie 4-przewodowego Ethernetu w przemyśle zmienia się szybkimi krokami w wersję 2-przewodową znaną pod nazwą 10BASE-T1L, składającą się z pojedynczej pary (skrętki) – single pair Ethernet, SPE. Poza warstwą fizyczną SPE jest kompatybilny z istniejącymi technologiami przemysłowego Ethernetu i zapewnia szybkość komunikacji 100 lub 1000 Mb/s, a zatem stanowi uzupełnienie tego, co było do tej pory.
10BASE-T1L staje się standardem, zwłaszcza w automatyzacji procesów i ma potencjał, aby wymusić gruntowne zmiany w tym obszarze. Z uwagi na duże obsługiwane odległości (200–1000 m a nawet więcej) pomiędzy systemem komputerowym a czujnikami i elementami wykonawczymi, do ich podłączenia był zwykle używany interfejs analogowy 4–20 mA lub sieci polowe (Fieldbus, Profibus). Teraz te wszystkie rozwiązania można zastąpić przez jeden wspólny SPE.
Nazwa 10BASE-T1L z grubsza wyjaśnia znaczenie i parametry. "10" określa szybkość transmisji 10 Mb/s. "BASE" to skrót od baseband, a "T" oznacza skręconą parę przewodów. Cyfra "1" informuje o standardowym zasięgu 1 km, natomiast litera "L" oznacza "daleki zasięg", co sugeruje, że możliwa jest praca nawet powyżej 1 km. Dla porządku warto dodać, że istnieją jeszcze inne technologie sieciowe wykorzystywane w przemyśle, takie jak 10BASE-2 – cienki kabel koncentryczny o maksymalnej długości segmentu 185 m, 10BASE-5 – gruby kabel koncentryczny o maksymalnej długości segmentu 500 m, 10BASE-F (kabel światłowodowy) lub 10BASE-36 – szerokopasmowy kabel koncentryczny z wieloma kanałami pasma podstawowego i maksymalną długością segmentu 3600 m.
Do której warstwy modelu OSI można przypisać 10BASE-T1L?
10BASE-T1L oferuje możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury 2-przewodowej do realizacji linii komunikacyjnej o długości do 1000 m przy prędkości transmisji 10 Mb/s. Fizyczna część Ethernet jest zdefiniowana wyłącznie w warstwie 1 (fizycznej) modelu Open Systems Interconnection (OSI). Ponad tą warstwą transmisji bitowej 10BASE-T1L obsługuje popularne protokoły Ethernetu, takie jak Profinet, Modbus itp., a także inne systemy magistralowe, jak BACnet, KNX i LON, które są powszechnie używane w systemach automatyki budynkowej. Tabela 1 przedstawia ich przegląd.
10BASE-T1L został implementowany za pomocą specjalnej warstwy Ethernet PHY w warstwie 1. Ramki ethernetowe są przesyłane między MAC i PHY przez interfejs MII (media-independent interface), zredukowany MII (RMII) lub jako zredukowany gigabitowy MII (RGMII). MAC jest zdefiniowany przez standard Ethernet IEEE 802.3 i zaimplementowany w warstwie łącza danych (warstwa 2). PHY tworzy fizyczny interfejs łączności i odpowiada za kodowanie i dekodowanie danych między medium transmisyjnym a systemem cyfrowym.
Gdzie można używać 10BASE-T1L?
10BASE-T1L został zaprojektowany w celu zastąpienia znormalizowanej pętli 4–20 mA w wielu, jeśli nie w większości zastosowań automatyzacji procesów produkcyjnych. Nie oznacza to jednak, że dotychczasowe urządzenia podłączone przez takie łącze będą musiały zostać zastąpione nowszymi wersjami obsługującymi 10BASE-T1L. Będzie można podłączać je za pomocą konfigurowalnych programowo modułów we/wy (SWIO) (soft ware configurable I/O), gdzie jest możliwość definiowania trybu pracy linii, co umożliwia szybkie i łatwe podłączanie urządzeń bez konieczności ponownego ich okablowania. Kanały można skonfigurować jako wejścia lub wyjścia zarówno prądowe, jak i napięciowe oraz cyfrowe i analogowe. Rysunek 1 przedstawia przykład połączenia konwencjonalnych urządzeń polowych pętlą prądową 4–20 mA oraz nowych rozwiązań za pomocą 10BASE-T1L.
W niektórych przypadkach istnieje wymóg, aby zasilanie urządzeń sterujących oraz czujników, jak ich dane były dostarczane przez 10BASE-T1L. To także jest możliwe.
10BASE-T1L wykorzystuje dwa tryby transmisji: 2,4 V dla długości kabla do 1000 m i 1 V dla krótszych odległości do 200 m. Dzięki niskonapięciowej transmisji różnicowej z wartością międzyszczytową 1 V, SPE może być stosowany w środowiskach chronionych przed wybuchem (obszary niebezpieczne) i spełnia obowiązujące tam surowe wymagania dotyczące maksymalnego zużycia energii gwarantującego brak iskrzenia.
Ethernet-APL umożliwia również prostą realizację instalacji automatyki procesowej z połączeniami typu field-to-cloud, w tym w komunikację z obszarami z potencjalnie wybuchową atmosferą dla instalacji w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym oraz naft owym i gazowym. Co więcej, APL definiuje również warunki (klasy) zasilania przez pojedynczą skrętkę.
W 10BASE-T1L nie zdefiniowano konkretnego medium transmisyjnego (kabla). Określone są tylko wymagania dotyczące tłumienia odbiciowego i tłumienności wtrąceniowej. Kable Fieldbus typu A są najlepszym wyborem, co pozwala na ponowne wykorzystanie istniejącego okablowania Profibus lub Foundation Fieldbus. 10BASE-T1L bez problemu będzie działać ze zbalansowaną parą przewodów na długości kabla do 1000 m. Jednak w pełnym zakłóceń środowisku przemysłowym wymagany jest ekranowany kabel, taki jak kabel typu A – wykorzystujący odpowiednie złącza z zaciskiem śrubowym lub sprężynowym. Niektóre układy switchy 10BASE-T1L mają zintegrowane funkcje diagnostyczne, które sprawdzają jakość sygnału w kablach, co pozwala na ocenę ich przydatności. 10BASE-T1L jest zatem niezawodną technologią komunikacyjną — nawet używanie przewodów różnych typów w jednej sieci nie stanowi problemu.
Jakie są zalety 10BASE-T1L?
Konwencjonalne sieci 4–20 mA ze sprzętem HART i Fieldbus mają ograniczoną przepustowość transmisji wynoszącą zaledwie kilka kb/s. Dzięki 10BASET1L można osiągnąć prędkości 10 Mb/s na tym samym okablowaniu. Umożliwia to przesyłanie nie tylko wartości procesowych, ale także dodatkowych parametrów urządzenia, takich jak informacje o konfiguracji i parametry. W przyszłości ewentualne aktualizacje oprogramowania dla coraz bardziej wyrafinowanych czujników, a także diagnostyka usterek, będą mogły być realizowane za pośrednictwem komunikacji na liniach danych. Konfiguracja jest również łatwiejsza, ponieważ bramy i konwertery nie są już wymagane w 10BASE-T1L. Dzięki wyeliminowaniu takich urządzeń koszty i złożoność tych starych instalacji są znacznie mniejsze, a utworzone przez nie wyspy danych nie są już przeszkodą w efektywnej komunikacji.
Ponadto przez linię danych można przesyłać większą moc. W obszarach zagrożonych wybuchem może to być 500 mW, a w pozostałych nawet 60 W. Standardy Ethernet, takie jak PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA lub Modbus-TCP oraz protokoły IoT, takie jak MQTT, umożliwiają ponadto łatwe połączenie urządzeń obiektowych z chmurą.
Czy 10BASE-T1L działa również ze switchami?
Podobnie jak w przypadku standardowego Ethernetu, w 10BASE-T1L istnieją urządzenia, które umożliwiają łączenie różnych segmentów sieci i obsługę różnych topologii. W takich miejscach często używa się przełączników (switchy). Umożliwiają one redundancję połączenia i lepszą dostępność usług dzięki użyciu topologii pierścienia. W automatyce połączenia z urządzeniami, czujnikami i elementami wykonawczymi są również nazywane odnogami, podczas gdy te między przełącznikami i biegnące do systemu sterowania to połączenia trunkingowe.
Dalsze możliwości wynikają ze stale rosnącej integracji urządzeń. Na przykład switch 10BASE-T1L można zintegrować z razem z czujnikiem, do którego dalej podłączone będą dodatkowe sensory, które również mogą być przez niego zasilane. Rysunek 2 przedstawia przykładowe połączenia przełączników sieciowych.
Komunikacja z urządzeniem obsługującym 10BASE-T1L odbywa się za pośrednictwem hosta. Zwykle wymaga to dostępności zintegrowanej funkcji MAC, pasywnego konwertera mediów lub przełącznika z portami 10BASE-T1L.
Zasilanie przez kabel komunikacyjny
Standard 10BASE-T1L nie tylko pozwala na komunikację z czujnikami i elementami wykonawczymi za pomocą pary przewodów, ale również daje możliwość zasilania ich tymi samymi liniami sygnałowymi. Może dostarczyć do 60 W mocy do urządzeń w obszarach nieiskrobezpiecznych. W miejscach zagrożonych wybuchem (iskrobezpiecznych) moc jest ograniczona do 500 mW. W tym przypadku amplituda sygnału różnicowego jest również zmniejszona w stosunku do standardowych 2,4 V do 1 V, aby spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące maksymalnej energii. Oczywiście w obszarach zagrożonych wybuchem zasięg sieci jest przez to mniejszy.
Thomas Brand, Senior Field Applications Engineer
Thomas Tzscheetzsch, Senior Field Technical Leader, Analog Devices
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
