工業(yè)控制與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主要依賴4mA-20mA和現(xiàn)場(chǎng)總線連接技術(shù)，并采用專有技術(shù)來滿足更高速或更專業(yè)的性能應(yīng)用場(chǎng)景。該方案曾長期為許多工業(yè)應(yīng)用提供著良好的服務(wù)，直至近年工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型應(yīng)用的興起，將傳感器、執(zhí)行器及控制器的設(shè)備密度與性能標(biāo)準(zhǔn)推向歷史新高。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新功能與應(yīng)用場(chǎng)景，很大程度上受限于現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)10Mbps的速率上限，日益增長的需求促使人們采用其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來填補(bǔ)這一空白。采用單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）的10Base-T1L技術(shù)，有望成為眾多需要更高數(shù)據(jù)速率的4mA-20mA及現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的替代方案。它還具備供電功能及一系列其他優(yōu)勢(shì)特性。當(dāng)然，新技術(shù)也意味著對(duì)共模扼流圈 (CMC)、隔離電感器和差模電感器（DMI）有不同的組件要求。

本文探討了10Base-T1L與SPE在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及這種組合如何顯著提升工業(yè)網(wǎng)絡(luò)性能，并釋放IIoT技術(shù)的潛力。此外，我們還將分析10Base-T1L和SPE實(shí)現(xiàn)方案的參考設(shè)計(jì)及組件要求。

以太網(wǎng)和10Base-T1L

表1：10Base-T1L和SPoE的IEEE 802.3 cg功率等級(jí)（圖源：EPCOS / TDK）

SPE是IEEE 802.3定義的有線通信標(biāo)準(zhǔn)，可將基礎(chǔ)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)有效轉(zhuǎn)換為單對(duì)雙絞線傳輸。數(shù)據(jù)線供電（PoDL）標(biāo)準(zhǔn)通過在通信線路上同時(shí)傳輸電力，極大限度減少供電與通信所需的布線數(shù)量。10Base-T1L在工業(yè)應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)1000米內(nèi)10Mbps傳輸速率，在汽車或航空應(yīng)用中則支持15米傳輸距離。該標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.3cg定義，具備0.1至20MHz的帶寬能力。

PoDL初時(shí)針對(duì)汽車及類似應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，而以太網(wǎng)供電（PoE）則被用于普通以太網(wǎng)應(yīng)用。根據(jù)IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)第104條規(guī)定，PoDL擴(kuò)展至支持10Base-T1S/T1L標(biāo)準(zhǔn)，并涵蓋SPoE 10至15級(jí)供電功率等級(jí)，主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。SPoE功率等級(jí)專為運(yùn)營技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)（如IIoT網(wǎng)絡(luò)）設(shè)計(jì)。其定義了10、11、12三類功率等級(jí)，分別適用于采用20、24或30VDC的長、中、短距離電纜。此外還定義了13、14、15類，分別適用于采用50、55、58VDC的遠(yuǎn)、中、短距離電纜。SPoE沒有像PoDL那樣的穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓功率等級(jí)，因此可以提供1.23W至52W的功率（見表1）。

從本質(zhì)上講，工業(yè)以太網(wǎng)和商業(yè)以太網(wǎng)采用的是相同的協(xié)議。然而，它們所采用的通信硬件卻完全不同，工業(yè)以太網(wǎng)更傾向于使用更堅(jiān)固耐用的硬件，這些硬件針對(duì)極端環(huán)境進(jìn)行了更好的優(yōu)化，并考慮到了可靠性、耐化學(xué)性、耐火性、高/低工作溫度范圍以及其他因素。在許多情況下，商用以太網(wǎng)硬件的使用壽命有限，而且由于工業(yè)環(huán)境的特性，可能會(huì)出現(xiàn)早期故障，因此不適合工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用。

此外，諸如10Base-T1L等技術(shù)專為汽車、工業(yè)及樓宇自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)計(jì)，與商用以太網(wǎng)相比，支持的一組硬件選項(xiàng)更適合這些環(huán)境用例。商業(yè)以太網(wǎng)安裝傾向于在整個(gè)設(shè)施的IT網(wǎng)絡(luò)硬件中運(yùn)行高速以太網(wǎng)電纜，而工業(yè)應(yīng)用則更傾向于使用PoDL/SPoE運(yùn)行緊湊型SPE，以極大限度地減少電纜體積，并在不增加過多、不必要布線的情況下提升與傳統(tǒng)布線基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性。幸運(yùn)的是，10Base-T1L SPoE系統(tǒng)可為傳感器、執(zhí)行器或控制硬件提供從設(shè)備到云端的IT/OT連接和電源。

實(shí)施情況

要實(shí)現(xiàn)10Base-T1L SPoE，至少需要使用共模扼流圈（CMC），但根據(jù)具體應(yīng)用需求，可能還需要差模電感器（DMI）和電隔離變壓器。若應(yīng)用僅需在控制收發(fā)器與終端設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)，則需在雙絞線與PHY/LPF控制器之間配置CMC。若需在同一雙絞線上傳輸電源與數(shù)據(jù)，則還需添加差模電感器（DMI）將供電設(shè)備（PSE）的VCC與GND單端線路橋接到雙絞線上，并在CMC之前。在可能存在重大安全隱患的情況下，通常需要進(jìn)行電隔離。為此，需要在PHY/LPF與控制和終端設(shè)備硬件的下游電路之間增加一個(gè)隔離變壓器。

圖1顯示了在符合802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的電路中，針對(duì)10-14類應(yīng)用場(chǎng)景，DMI和CMC組件的極佳放置位置。該參考方案的電源與數(shù)據(jù)通過電源耦合網(wǎng)絡(luò)（PCN）在介質(zhì)相關(guān)接口（MDI）處耦合。直流電源通過DMI耦合至SPoE線路，如圖2中的L1位置所示。圖2中L2位置的CMC在MDI端提供共模阻斷功能。DMI（L1）和CMC（L2）值的選擇對(duì)于滿足IEEE 802.3cg中列出的功率等級(jí)的回波損耗、模式轉(zhuǎn)換和衰減要求非常重要。

圖1：10Base-T1L SPoE框圖，展示了差模電感器（DMI）、共模扼流圈（CMC）及電隔離變壓器（如需）在工業(yè)SPE應(yīng)用中的布局位置（圖源：EPCOS / TDK）

圖2：LTC4296-1 802.3cg 10類至14類參考設(shè)計(jì)，以及針對(duì)各種功率等級(jí)推薦的SPoE電感器和電源+數(shù)據(jù)共模扼流圈（圖源：Analog Devices）

據(jù)制造商稱，對(duì)于10Base-T1L SPoE的10至14類應(yīng)用，推薦采用圖2所示方案：使用PHY端PCN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過CMC (L2) PHY端的DMI（L1）注入電源。此方案可實(shí)現(xiàn)電源與數(shù)據(jù)同時(shí)通過CMC傳輸。

對(duì)于15類應(yīng)用，建議通過DMI在線路側(cè)注入電源，并為電源和數(shù)據(jù)路徑提供單獨(dú)的CMC。EPCOS/TDK工業(yè)級(jí)單電源以太網(wǎng)（SPE）電感器完美契合此類應(yīng)用需求，推薦用于SPoE PSE控制器應(yīng)用。

這些工業(yè)級(jí)SPE電感器專為工業(yè)SPE應(yīng)用設(shè)計(jì)，具備符合規(guī)范的電流、電壓及電感參數(shù)，同時(shí)符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍為-40°C至+125°C。EPCOS/TDK提供專為工業(yè)SPE/SPOE應(yīng)用制造的RCM70CGI-471 CMC、ICI70CGI隔離電感器和PID SMD功率電感器。

結(jié)語

隨著工業(yè)自動(dòng)化向需要更高功率并兼容局域網(wǎng)和云端的高數(shù)據(jù)速率設(shè)備擴(kuò)展，對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的需求愈發(fā)迫切，以便為眾多新興的IIoT設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸和供電。10Base-T1L不僅支持更高數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)線供電功能，更具備超越傳統(tǒng)及商用以太網(wǎng)解決方案的附加特性，成為了替代傳統(tǒng)4mA-20mA及現(xiàn)場(chǎng)總線連接的首選方案。