借助10Base-T1L SPE优化IIoT网络

引言

一直以来，工业控制和网络应用主要依赖于4mA-20mA和现场总线连接，并采用专有技术来满足更高速或更专业的用例，并一直为许多工业应用提供着良好的服务。但近年来，随着工业物联网 (IIoT) 和数据驱动型应用的兴起，将传感器、执行器和控制器设备的密度和性能标准推向了新的高度。IIoT应用的新功能和用例在很大程度上受到现场总线网络10Mbps传输速率的制约，而其日益增长的需求促使人们采用其他工业网络技术来填补这一空白。采用单对以太网 (SPE) 的10Base-T1L是一种很有前途的替代技术，适用于许多需要更高数据传输速率的4mA-20mA和现场总线系统。这项技术还支持电力传输和其他一系列有吸引力的功能。当然，新技术也意味着对共模扼流圈 (CMC)、隔离电感器和差模电感器 (DMI) 有不同的要求。

（图源：Atchariya63- stock.adobe.com）

本文将讨论10Base-T1L和SPE在工业应用中的使用情况，以及这种搭配如何大幅提高工业网络性能并释放新IIoT技术的潜力。此外，我们还将讨论实施10Base-T1L和SPE的参考设计和元件要求。

以太网和10Base-T1L

SPE是IEEE 802.3定义的一种有线通信标准，对基本以太网标准进行了有效地转换以使用单线对。数据线供电 (PoDL) 标准是指通过通信线路传输电力，目的是尽量减少电力和通信布线。在工业应用中，10Base-T1L的传输速率可达10Mbps，传输距离为1000米；在汽车或航空应用中，传输距离为15米。10Base-T1L由IEEE 802.3cg定义，带宽范围为0.1至20MHz。

PoDL最初针对汽车和类似应用进行了优化，而在常规以太网应用中则采用了以太网供电 (PoE)。IEEE 802.3第104条针对10Base-T1S/T1L的PoDL部分进行了扩展，添加了SPoE功率等级10至15，主要用于楼宇自动化和工业网络系统。SPoE的功率等级是针对IIoT等运营技术 (OT) 网络定义的。SPoE将使用20、24或30VDC的长、中和短电缆分别定义为10、11和12级， 将使用50、55和58VDC的长、中和短电缆定义为13、14 和 15级。SPoE不像PoDL那样分为稳压或非稳压功率等级，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功率等级（来源：EPCOS / TDK）

从本质上讲，工业以太网和商业以太网采用的是相同的协议。然而，它们所采用的通信硬件却完全不同，工业以太网倾向于使用更坚固耐用的硬件，这些硬件针对极端环境进行了更好的优化，并考虑到了可靠性、耐化学性、耐火性、高/低工作温度范围以及其他因素。在许多情况下，由于商业以太网硬件的使用寿命有限以及可能会出现早期故障，再加上工业环境的特殊性，因此不适合用于工业以太网应用。

此外，10Base-T1L等技术是专为汽车、工业和楼宇自动化应用而设计，支持的一组硬件选项比商业以太网更适合这些环境用例。商业以太网倾向于在整个设施的IT网络硬件中采用高速以太网电缆，而工业应用则倾向于采用支持PoDL/SPoE的紧凑型SPE，以最大限度地减少电缆体积，并在不增加过多、不必要布线的情况下提升与传统布线基础设施的兼容性。幸运的是，10Base-T1L SPoE系统可为传感器、执行器或控制硬件提供从设备到云端的IT/OT连接和电源。

实施情况

要实现10Base-T1L SPoE，至少需要使用一个共模扼流圈 (CMC)，但根据应用的不同，可能还需要差模电感器 (DMI) 和电隔离变压器。如果应用只需要在控制收发器和终端设备之间传输数据，则仅需要在双绞线和PHY/LPF控制器之间使用CMC。如果电源和数据要在同一双绞线上传输，则还需要使用DMI将VCC和GND单端线路等供电设备 (PSE) 桥接到双绞线上，并最好在CMC之前。最后，在可能存在重大安全隐患的情况下，通常需要进行电隔离。为此，需要在PHY/LPF与控制和终端设备硬件的下游电路之间增加一个隔离变压器。

图1显示了DMI和CMC组件在符合802.3cg标准的10-14类应用电路中的最佳位置。此参考电路的电源和数据通过电源耦合网络 (PCN) 在介质相关接口 (MDI) 上耦合在一起。直流电源通过DMI耦合到SPoE线路中，如图2中L1所示。L2处的CMC在MDI处提供共模阻断。DMI (L1) 和CMC (L2) 值的选择对于满足IEEE 802.3cg中列出的最大功率等级的回波损耗、模式转换和衰减要求非常重要。

图1：10Base-T1L SPoE框图，显示需要时差模电感器 (DMI)、共模扼流圈 (CMC) 和电隔离变压器在工业SPE应用中的位置 （图源：EPCOS / TDK）

图2：LTC4296-1 802.3cg 10至14类参考设计，以及针对各种功率等级推荐的SPoE电感器和电源+数据共模扼流圈 （图源：Analog Devices）

据制造商称，图2所示方法一般推荐用于10至14类10Base-T1L SPoE应用，建议使用PHY端PCN拓扑，通过CMC (L2) PHY端的DMI (L1) 注入电源。这样，电源和数据都可以通过CMC传输。对于15类应用，建议通过DMI在线路侧注入电源，并为电源和数据路径配备单独的CMC。EPCOS / TDK工业单电源以太网 (SPE) 电感器非常适合这些应用，推荐用于SPoE PSE控制器应用。这些工业SPE电感器设计符合工业SPE应用的电流、电压和电感规格，并遵守ROHS标准，工作温度范围为-40°C至+125°C。EPCOS / TDK提供了专为工业SPE/SPOE应用设计的RCM70CGI-471 CMC、ICI70CGI隔离电感器和PID SMD功率电感器。

结语

随着工业自动化的不断发展，现已囊括需要更高功率且与内网和云兼容的高数据速率设备，我们更加需要工业以太网解决方案来为大量新兴的IIoT设备提供数据传输和电源。10Base-T1L能够支持更高的数据传输速率、数据线供电以及其他功能，优于传统和其他商用以太网解决方案，成为了取代传统4mA-20mA和现场总线连接的最佳选择。

作者

Jean-Jacques (JJ) DeLisle就读于罗切斯特理工学院 (RIT)，并获得了电气工程学士学位和硕士学位。在学习期间，JJ从事射频/微波研究，为大学杂志撰稿，并且是RIT第一个即兴喜剧团的成员。在拿到学位之前，JJ就担任了Synaptics公司的集成电路布局和自动化测试设计工程师。经过6年开发和鉴定内置同轴天线和无线传感器技术的原创性研究，JJ在提交了多篇技术论文并获得一项美国专利后离开了RIT。

为了进一步发展他的事业，JJ和妻子Aalyia搬到了纽约市。在这里，他担任了《Microwaves & RF》（微波与射频）杂志的技术工程编辑。在此期间，JJ学会了如何将他的射频工程技能以及技术写作热情结合起来。

在JJ职业生涯的下一个阶段，他看到业界对有技术能力的作家和客观的行业专家有很大的需求，于是转而创办了自己的公司RFEMX。在朝着这个目标前进的同时，JJ扩大了自己公司的业务范围和愿景，开始从事信息交换服务 (IXS) 业务。

供应商简介

TDK Corporation创建于1935年，是世界上率先把日本发明的磁性材料铁氧体成功商业化的公司。现在，TDK 是全球最大的电子元器件制造商之一，在全球30多个国家和地区拥有超过130个销售办公室和制造基地。