Возможности 10BASE-T1L для бесшовного подключения сети промышленного Ethernet
10BASE-T1L — новый стандарт физического уровня Ethernet (IEEE 802.3cg-2019), который был одобрен IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники) 7 ноября 2019 года. Этот документ кардинально изменит отрасль автоматизации процессов за счет значительного повышения операционной эффективности предприятия благодаря организации высоконадежного бесшовного (без использования шлюзов) подключения к Ethernet на полевом уровне, которое предусматривает самые разнообразные устройства, в том числе датчики и исполнительные механизмы — актуаторы (c одним из вариантов стандарта 10BASE-T1 можно подробнее ознакомиться в [1]). Стандарт 10BASE-T1L решает проблемы, которые сегодня ограничивают использование Ethernet в полевых условиях в области автоматизации процессов. К таким проблемам относится недостаточная пропускная способность, относительная сложность кабельной разводки, ограниченная дальность передачи данных, необходимость создания так называемых островков данных (Data Island — хранилище данных, например, на устройстве, которое не имеет или имеет ограниченную внешнюю связь, что сокращает возможности пользователя синхронизировать или копировать информацию на другие устройства), искробезопасные приложения для зон 0 и 1 (категория «опасные зоны»). Решая эти проблемы как при обновлении старых объектов, так и при установке развертываемых с нуля, стандарт 10BASE-T1L позволит получать новые, ранее недоступные аналитические данные. В частности, такие как объединение переменных процесса, вторичных параметров, обратной связи о состоянии активов, бесшовная передача их на уровень управления и в облако. Эти новые возможности откроют широкие перспективы для анализа данных (в том числе и больших), накопления исторических сведений о процессах и работе оборудования, а также для повышения производительности за счет конвергентной сети Ethernet от поля до облака (рис. 1).
Для того чтобы в приложениях автоматизации технологических процессов (далее, если не оговорено особо, — автоматизации процессов) заменить передачу данных, основанную на токовой петле 4–20 мА или на полевой шине (Foundation Fieldbus или PROFIBUS PA), на локальную Ethernet, на датчики или исполнительные механизмы необходимо подавать питание и получать данные по одинарной экранированной витой паре. Кабели с одной витой парой дешевле, меньше по размеру и проще в установке по сравнению с более сложными многопарными кабелями. Расстояние между устройствами полевого уровня в приложениях автоматизации процессов было серьезной проблемой, поскольку существующие технологии физического уровня Industrial Ethernet (индустриального Ethernet) имеют ограничение 100 м. В связи с тем, что для приложений автоматизации процессов требуются расстояния до 1 км еще и в сочетании с малопотребляющими и надежными полевыми устройствами, пригодными для использования в приложениях зоны 0 (искробезопасные), понадобился новый подход к реализации технологии физического уровня Ethernet. Стандарт 10BASE-T1L и стал этим новым подходом, позволившим сделать шаг в будущее автоматизации.
Основные возможности стандарта 10BASE-T1L представляют собой полнодуплексную, сбалансированную по постоянному току схему двухточечной связи (точка-точка) с трехуровневой амплитудно-импульсной модуляцией PAM 3 при символьной скорости 7,5 Мбод с кодированием 4B3T (4 Binary 3 Ternary, когда четыре двоичных символа передаются с помощью трех троичных символов). Стандарт 10BASE-T1L поддерживает два режима амплитуды: 2,4 В (пик-пик) на длине кабеля до 1000 м и 1 В на меньшем расстоянии. Режим полной амплитуды 1 В (пик-пик) означает, что эту новую технологию физического уровня можно использовать и во взрывозащищенных (Ex-proof) системах, соблюдая строгие правила по ограничению максимальной энергии. Но главное — стандарт 10BASE-T1L обеспечивает передачу на большие расстояния по двухпроводной технологии с питанием и данными по одному кабелю в виде витой пары и принадлежит к семейству сред с однопарным Ethernet (single-pair Ethernet, SPE). Дополнительно предусмотрена поддержка энергоэффективного Ethernet — Energy Efficient Ethernet (quiet/refresh EEE). Коммутатор периодически опрашивает свои порты, и если подсоединенное устройство не работает, то есть выключено или вообще не подключено, — порт отключается от питания.
Кроме того, для полевых устройств стандарт 10BASE-T1L, по сравнению примерно с 36 мВт, доступными от токовой петли 4–20 мА, обеспечивает значительно более высокую мощность — до 500 мВт в приложениях зоны 0 (искробезопасные). В остальных приложениях, в зависимости от используемого кабеля, допустима передача мощности электропитания до 60 Вт. Поскольку ограничения мощности питания от токовой петли 4–20 мА и полевой шины больше не являются критичным нормативом, могут быть задействованы новые полевые устройства с расширенными функциями и возможностями благодаря значительно большей мощности, доступной на границе сети. Например, с дополнительной мощностью питания теперь возможны более высокие уровни производительности компьютеризированного оборудования и улучшенная обработка данных на границе. Это позволит получить ценную информацию о переменных процесса, которые теперь будут доступны через веб-сервер, работающий на устройствах полевого уровня (так называемые полевые активы), что в конечном итоге приведет к улучшению и оптимизации потоков процессов и управления производственными активами в целом.
Для использования более обширного набора данных, содержащего новые широкие возможности для аналитики и управления процессами современного предприятия, стремящегося к преимуществам «Индустрии 4.0», а также тесно связанной с этим доставки данных с полевых устройств требуется канал связи с более высокой пропускной способностью. Стандарт 10BASE-T1L упрощает решение этой задачи, устраняя необходимость в сложных, энергоемких шлюзах и позволяет создать конвергентную сеть Ethernet в сетях информационных технологий (далее — ИТ) и операционных технологий (далее — ОТ). Об истории и проблемах конвергенции ИT и OT можно узнать в [2]. Такая конвергентная сеть обеспечивает упрощенную инсталляцию, легкую замену устройств, более быстрый ввод в эксплуатацию и настройку сети. Это также приводит к более быстрому и простому обновлению программного обеспечения с упрощенным анализом первопричин тех или иных отказов или сбоев в ПО (багов) и упрощает обслуживание полевых устройств.
Преимущества решения на базе Ethernet
Конвергенция Ethernet в качестве метода связи на предприятии, на уровне управления и на полевом уровне при автоматизации процессов, устраняет потребность в сложных и энергоемких шлюзах. Это позволяет уйти от чрезвычайно фрагментированной инфраструктуры полевой шины, формировавшей островки данных, доступ к которым в полевых устройствах был ограничен. За счет удаления этих шлюзов стоимость и сложность устаревших систем значительно снижается, а созданные ими островки данных удаляются.
В настоящее время приложения автоматизации процессов используют устаревшие стандарты связи, показанные в таблице 1, с присущими им ограничениями, которые нивелирует новый стандарт 10BASE-T1L. Нельзя забывать и о том, что здесь существует проблема с базой знаний в области действующей автоматизации процессов. Уходя на пенсию, технические специалисты и инженеры уносят с собой подробные знания о том, как развертывать, отлаживать и поддерживать оборудование с токовой петлей 4–20 мА с HART или системами связи по полевой шине Foundation Fieldbus в условиях конкретного предприятия. Проблема еще и в том, что не всегда все внесенные изменения тщательно документируются и остаются не на бумаге или в памяти компьютера, а в памяти обслуживающего персонала, часто как некая страховка его незаменимости. Отказавшись от этих устаревающих технологий, предприятия получают двойное преимущество. Они переходят на новый уровень, а выпускники колледжей, не знакомые с этими древними технологиями, но хорошо знающие технологию на базе Ethernet, смогут быстро наращивать сетевые решения на его основе.
Сравнение |
Петля 4–20 мА с HART |
Foundation Fieldbus |
10BASE-T1L |
Пропускная способность данных |
1,2 кбит/с |
31,25 кбит/с |
10 Мбит/с |
Подключение к сети Ethernet более высокого уровня |
Сложные шлюзы |
Сложные шлюзы |
Нет шлюзов, надежное подключение |
Передача питания к датчику |
Не более 40 мВт |
Возможности питания ограничены |
Для опасных сред: 500 мВт; Для безопасных сред: до 60 Вт (в зависимости от кабеля) |
Зависимость от прошлого знания и опыта персонала |
Опасность потери прошлого знания/опыта |
Опасность потери прошлого знания/опыта |
Технология Ethernet хорошо знакома всем выпускникам технических колледжей |
Стандарты Ethernet гарантируют, что все более высокие уровни протокола с 10BASE-T1L работают точно так же, как и 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T, устраняя необходимость в сложных шлюзах. В IEEE 802.3 все физические уровни определены в семиуровневой модели ISO для Ethernet, в том числе и для 10BASE-T1L. Место 10BASE-T1L в модели ISO показано в таблице 2. Сказанное означает, что теперь устройства 10BASE-T1L могут использовать PROFINET, EtherNetTM/IP, HART/IP, OPC UATM или MODBUS/TCP и поддерживать протоколы IoT, такие как MQTT, который предлагает простой, но мощный способ подключения полевого устройства к облаку. Ethernet также обеспечивает простое централизованное обновление программного обеспечения вплоть до конечных узлов, что упрощает управление и ускоряет ввод сети в эксплуатацию.
Слой |
Типданных |
OSI модель |
TCP/IP-модель |
Стандартизация |
1 |
Данные (Data) |
Прикладной уровень (application layer) |
Прикладной уровень (application layer) |
RFC, IETF, отраслевые организации и т. д. |
2 |
Данные (Data) |
Уровень представления (presentation layer) |
||
3 |
Данные (Data) |
Сеансовый уровень (session layer) |
||
4 |
Сегменты (Segments) |
Транспортный уровень (transport layer) |
TCP/UDP |
|
5 |
Пакеты (Packets) |
Сетевой уровень (network layer) |
IP |
|
6 |
Кадры (Frames) |
Канальный уровень (data link layer) |
Канальный уровень (Ethernet data link) |
IEEE 802.1 |
7 |
Биты (Bits) |
Физический уровень PHY (physical layer) |
Ethernet 10BASE-T1L |
IEEE 802.3 |
Для связи с устройством с поддержкой 10BASE-T1L требуется хост-процессор со встроенным управлением доступом к данным (medium access control, MAC), пассивный медиаконвертер или коммутатор с портами 10BASE-T1L. Никакого дополнительного программного обеспечения, настраиваемого стека TCP/IP и специальных драйверов не требуется (рис. 2). Это дает очевидные преимущества для устройств 10BASE-T1L:
- Хотя для подключения 10BASE-T1L требуется медиаконвертер, он преобразует только физическое кодирование, а не содержимое пакетов Ethernet. С точки зрения программного обеспечения и протоколов связи он прозрачен.
- Благодаря подключению к сети Ethernet можно настраивать датчики с помощью ноутбука или мобильного телефона, независимо от того, находится ли датчик на столе или развернут на заводе. Так, чтобы настроить преобразователь температуры, он сейчас должен иметь дополнительный интерфейс, например USB, и в зависимости от производителя существует более 100 вариантов регулировки. Однако сегодня эти параметры просто недостижимы через токовую петлю 4–20 мА. HART предусматривает подобную возможность, но часто недоступен из-за стоимости. Соответственно, если во время настройки была допущена ошибка на рабочем месте, то датчик в токовой петле 4–20 мА после установки на месте придется заново перенастроить. Датчик, подключенный к 10BASE-T1L, доступен по сети и может удаленно обновляться в любом месте и в любое время.
- Устройства, подключенные к токовой петле 4–20 мА, могут передавать только одно значение процесса. Подсоединение Ethernet обеспечивает прямой доступ не только к значениям процесса, но и ко всем параметрам устройства, таким как управление активами, управление жизненным циклом, профилактическое обслуживание, конфигурация и параметризация.
- Поскольку датчики становятся все более сложными, то увеличивается и вероятность потребности в обновлениях их программного обеспечения. Теперь благодаря высокоскоростному соединению Ethernet, это можно сделать быстро в любом месте и в любое время.
- Для упрощения анализа первопричин сбоев имеется доступ к расширенным инструментам диагностики сети Ethernet.
Показанное на рис. 2 устройство физического уровня ADIN1100 от компании Analog Devices еще официально не представлено. В настоящее время в портфеле компаний имеется ADIN1200 — малопотребляющий однопортовый приемопередатчик сети Ethernet, обладающий малой задержкой и предназначенный для применения в сетях промышленного Ethernet до 180 м. В устройство встроено ядро физического уровня (PHY) энергоэффективного Ethernet (EEE) наряду со всеми необходимыми стандартными аналоговыми цепями, схемами буферизации входных и выходных сигналов синхронизации, интерфейсами управления и регистрами подсистемы, с интерфейсом управления доступом к среде (MAC) и управляющей логикой для управления сбросом и синхронизацией, а также настройки выводов.
Интерфейс управления MII (также известный как интерфейс MDIO) обеспечивает двухстороннюю последовательную связь между хост-процессором или MAC и ADIN1200, предоставляя доступ к информации управления и состояния, содержащейся в регистрах управления ядра физического уровня и имеет режимы 10BASE-Te/100BASE-TX. Данный интерфейс совместим со структурами кадра пунктов 22 и 45 стандарта IEEE802.3.
Кроме ADIN1200. в портфеле Analog Devices имеется версия ADIN1300 — PHY-приемопередатчика сети промышленного Ethernet с малыми задержками и малым энергопотреблением, поддерживающего скорости передачи данных 10 и 100 Мбит/с и 1 Гбит/с [4]. Устройство обеспечивает связь на расстоянии 150 м на больших и до180 м на малых скоростях.
Кабельное соединение для автоматизации процессов и развертывание сети
В автоматизации технологических процессов, в отличие от автоматизации в машиностроении или автоматизации производства, используемые датчики (расхода, уровня, давления и температуры) и исполнительные механизмы, как правило, не располагаются рядом с контроллером. Расстояние 200 м между датчиками по входам/выходам тут не редкость, а исходя из этого расстояние между полевыми коммутаторами может достигать 1000 м. Что касается связи, то для автоматизации технологических процессов предусмотрен кабель полевой шины типа A, так как он уже применяется сегодня при инсталляции PROFIBUS PA и Foundation Fieldbus.
Стандарт 10BASE-T1L не определяет конкретную среду передачи (кабель), вместо этого он определяет модель канала (требования к возвратным потерям и вносимым потерям). Модель канала 10BASE-T1L хорошо сочетается с кабелем полевой шины типа A, поэтому некоторые установленные кабели, предназначенные для токовой петли 4–20 мА потенциально могут быть повторно использованы с 10BASE-T1L, что открывает значительные возможности для модернизации существующих систем автоматизации процессов.
Поскольку 10BASE-T1L позволяет снизить амплитуду напряжения сигнала до 1 В (пик-пик) на линиях протяженностью примерно до 200 м, 10BASE-T1L может использоваться в среде взрывозащищенных систем и соответствовать строгим регламентам по максимальной энергии для опасных зон с ограничением мощности на уровне до 500 мВт.
Благодаря значительному увеличению мощности по сравнению тем, что может дать для питания датчиков токовая петля 4–20 мА, а именно 500 мВт против примерно 36 мВт, сегодняшние четырехпроводные устройства, которым требуется внешний источник питания из-за ограниченной возможности токовой петли, теперь можно заменить двухпроводными устройствами с поддержкой 10BASE-T1L, обеспечивающими большую гибкость установки для новых устройств, избавляя от внешнего источника питания.
На рис. 3 показана предлагаемая топология сети для обрабатывающей промышленности, называемая trunk-spur-топология. Trunk (магистраль) — это основная коммуникационная шина для устройств в сети, Spur (ответвление) — линия, отходящая от магистрали и образующая конечный контур.
Магистральные кабели могут иметь длину до 1 км с амплитудой устройств физического уровня (PHY) 2,4 В двойного размаха амплитуды (пик-пик) и находиться в зоне 1, раздел 2. Ответвительные кабели могут иметь длину до 200 м с амплитудой PHY 1 В двойного размаха амплитуды (пик-пик) и находится в зоне 0, раздел 1. Коммутатор питания находится на уровне управления, обеспечивает функциональность коммутатора Ethernet и подает питание на кабель (по линиям передачи данных). Полевые коммутаторы находятся на полевом уровне в опасной зоне, питаются от кабеля и обеспечивают функциональность коммутатора Ethernet, которая подключает устройства полевого уровня на ответвлениях к магистрали и передает питание устройствам полевого уровня. Несколько полевых коммутаторов подсоединяются к магистральному кабелю, чтобы обеспечить подключение большого количества полевых устройств к сети.
Полевые коммутаторы для обеспечения резервирования могут быть подключены по кольцевой топологии. На периферии (границе сети) для большинства приложений, которые ранее были ограничены скоростью передачи данных, не превышающей 30 кбит/с, скорость до 10 Мбит/с является очень большим достижением. Поскольку Ethernet теперь используется для подключения оконечных узловых устройств на полевом уровне, ИТ и OT были успешно объединены (согласно нашему начальному определению — конвергированы) в единую сеть Ethernet, что создает возможность IP-адресации для любого оконечного узлового устройства из любой точки мира в любое время.
Ethernet-APL с 10BASE-T1L
Ethernet-APL (APL — advanced physical layer, расширенный или усовершенствованный физический уровень Ethernet) описывает физический уровень для технологии связи Ethernet, который специально разработан для производственных процессов и определяет подробности применения связи Ethernet к датчикам и исполнительным механизмам для обрабатывающей промышленности. Стандарт Ethernet-APL будет опубликован в рамках МЭК. Он основан на стандарте физического уровня Ethernet 10BASE-T1L и определяет методы реализации и требования по взрывозащите для использования во взрывоопасных зонах. Ведущие компании в области автоматизации процессов, для того чтобы заставить Ethernet-APL взаимодействовать с протоколами Industrial Ethernet и ускорить его развертывание, уже работают вместе под эгидой PROFIBUS и PROFINET International (PI), ODVA, Inc. и FieldComm Group.
Автоматизация процессов: переход к обеспечению дальнейшего бесшовного подключения к сети Ethernet
Соединение по токовой петле 4–20 мА с HART уже много лет успешно применяется в приложениях автоматизации технологических процессов и представляет собой проверенное и надежное решение, которое не исчезнет в одночасье, особенно учитывая присущий производственникам консерватизм типа «лучшее — враг хорошего». Поскольку существует большая база для инсталляции сети с использованием токовой петли с приборами, поддерживающими HART, компания Analog Devices, отвечая на вызов рынка, инвестирует в программно-конфигурируемый ввод/вывод, который обеспечивает большую гибкость установки таких устройств, позволяя использовать любую промышленную функцию ввода/вывода и иметь доступ к нему с любого контакта, чтобы в любое время настраивать каналы в приложениях удаленного ввода/вывода. Это означает, что настройка может происходить прямо во время установки, что приводит к более быстрому выходу на рынок, меньшему объему проектно-наладочных работ и универсальным продуктам, которые можно широко использовать в проектах и клиентах. Примерами программно-программируемых схем ввода/вывода от Analog Devices являются четырехканальная микросхема с программно-конфигурируемыми портами ввода/вывода AD74413 [5] и универсальный входной аналоговый интерфейс с 24-разрядным АЦП для промышленных систем управления процессамиAD4110-1 [6].
На рис. 4 показан переход от устаревших приборов с подключением по токовой петле 4–20 мА к Ethernet, где они будут сосуществовать с новыми приборами с поддержкой 10BASE-T1L. Программно-конфигурируемый ввод/вывод соединяет эти устаревшие приборы, где удаленный ввод/вывод обеспечивает точку агрегации для восходящего канала Ethernet 10 Мбит/с к ПЛК.
Бесшовное подключение от периферии к облаку будет достигнуто за счет автоматизации процессов с помощью технологии 10BASE-T1L. Стандарт 10BASE-T1L устраняет потребность в шлюзах и вводе/выводе, а также обеспечивает возможность подключения по Ethernet от полевых устройств к уровню управления и в конечном итоге к облаку. Такая разблокировка полевых устройств приведет к получению обширных наборов данных для их расширенной аналитики, накопления исторических данных о процессах и оборудовании, с переходом на прогнозное управление и обслуживание.
Области приложения стандарта 10BASE-T1L за пределами автоматизации процессов
Сегодня использование 10BASE-T1L набирает обороты в области автоматизации производства и зданий, энергоснабжения, мониторинга, автоматизации водопроводных станций и очистки сточных вод и, наконец, лифтов. Все эти приложения имеют общие требования к более высокой пропускной способности, бесшовному подключению Ethernet к датчикам по одному кабелю в виде одной витой пары, поддерживающему передачу питания и данных. В таблице 3 сравнивается 10BASE-T1L с существующими проводными технологиями. Примеры приложений включают RS-485, используемый в автоматизации зданий, и канал ввода/вывода, применяемый в автоматизации производства.
Протокол |
Формат пакетов |
Длина кабеля |
Битовая скорость |
Питание через кабель передачи данных |
Разъем |
Искробезопасный вариант использования |
PROFIBUS PA |
UART/PROFIBUS |
1200 м |
31,25 кбит/с, шина, полудуплекс |
Ест |
M12, винтовые терминалы |
Есть |
ModbusRTU |
UART/Modbus |
185 кбит/с: до 1200 м; 375 кбит/с: до 300 м; 500 кбит/с: до 200 м |
Типично 19,2 кбит/с, шина, полудуплекс |
Нет |
DB9, M12 |
– |
I/O Link(Profibus) |
I/O link |
20 м |
Максимально230,4 кбит/с, полудуплекс |
Нет |
M12 |
Нет |
Токоваяпетля 4–20 мА |
Аналоговый интерфейс |
Не менее 10 км |
–/– |
Есть, 36 мВ |
Винтовые терминалы |
Есть |
HART |
С цифровой модуляцией петли 4–20 мА |
Не менее 1500 м |
1200 бит/с, шина, полудуплекс |
Есть, 36 мВ |
Винтовые терминалы |
Есть |
10BASE-T1L |
Ethernet IEEE 802.3 |
1000 м (2,4 В) до 10 разъемов (клеммные коробки) |
10 Мбит/с, дуплекс |
Есть, до 60 Вт В опасных зонах (зона 0) до 500 мВ |
Винтовые терминалы или разъем IDC, дополнительный разъем однопарного Ethernet |
Есть |
Не менее 200 м (1,0 В) |
Устройства 10BASE-T1L создают ценную аналитическую информацию для оптимизации процессов
Добавление продуктов физического уровня 10BASE-T1L в портфель решений Chronous для промышленных Ethernet-сетей позволит компании Analog Devices перейти к сфере автоматизации процессов, подсоединенных к облаку, включая опасные зоны, существующие на разных производствах, фармацевтических предприятиях, при добыче и переработке нефти и газа. Новые трансиверы PHY 10BASE-T1L обеспечат интерфейс физического уровня, что поможет раскрыть множество преимуществ для предприятия, подключенного к Ethernet. Благодаря внедрению стандарта 10BASE-T1L пакеты Ethernet перемещаются с полевого уровня на уровень управления и в конечном итоге в облако без шлюзов, реализуя объединение ИТ/ОТ-сети в рамках концепции «Индустрия 4.0».
Благодаря значительно большей доступности в части электропитания теперь могут быть задействованы новые типы полевых устройств с расширенными функциями и возможностями. Прозрачная IP-адресация каждого устройства полевого уровня значительно упростит установку, настройку и обслуживание решений, подключенных к сети 10BASE-T1L. Стандарт 10BASE-T1L откроет доступ к новым полевым устройствам, даст возможность получать большие наборы данных для облачных вычислений и расширенной аналитики. Операционная эффективность предприятий будет повышена за счет доступа к имеющим практическую ценность сведениям об их процессах, что ускорит развертывание более сложных производственных средств автоматизации процессов в будущем.
Дополнительная информация о портфеле решений Chronous для промышленного Ethernet от компании ADI и о том, как они ускоряют переход к таким Ethernet-сетям, доступна на сайте компании по ссылке [7].
- Муйшондт Г. Знакомство с 10BASE-T1S Ethernet: возможности и преимущества // Компоненты и технологии. 2020. № 8.
- Томпсон Д. История сближения информационных и операционных технологий // Control Engineering Россия. 2020. № 1.
- ADIN1200 PHY-приемопередатчик сети промышленного Ethernet с малым энергопотреблением, поддерживающий скорости передачи данных 10 и 100 Мбит/с.
- ADIN1300 PHY-приемопередатчик сети промышленного Ethernet с малыми задержками и малым энергопотреблением, поддерживающий скорости передачи данных 10 Мбит/с, 100 Мбит/с и 1 Гбит/с.
- AD74413R Четырехканальная микросхема с программно-конфигурируемыми портами ввода/вывода.analog.com/ru/products/ad74413r.html
- AD4110-1 Universal Input Analog Front End with 24-Bit ADC for Industrial Process Control Systems.
- Промышленный Ethernet