10BASE-T1S：革新工厂4.0中的边缘连接

网络基础设施的堆栈结构

网络基础设施通常被描述为一个“堆栈”，其中最底层是物理实现，包括布线和媒体。在工厂4.0应用中，顶层涉及人工智能（AI）、机器学习（ML）、规划、执行、自动化、跟踪、库存控制和监督控制等功能。而最底层则是工厂车间，这里包含了机器人、执行器、运动传感器和阀门等边缘节点，负责实际的制造工作，覆盖多条装配线。

工厂通信的现状与挑战

堆栈顶层的通信通常通过多千兆位以太网局域网进行。然而，在工厂车间，通信往往是通过多种现场总线协议（如HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profi-Bus和CAN）组成的零散网络来实现的。这些协议通常通过一对双绞线（可能是屏蔽或非屏蔽）以兆位或更低的速度运行。

为了使这些不同的网络统一起来并协同工作，需要安装网关来桥接以太网部分和其他协议。这种做法导致了通信的碎片化，增加了成本和复杂性。

10BASE-T1S：一种新型以太网标准

2019年批准的IEEE 802.3cg规范引入了10BASE-T1S，这是一种基于标准以太网但具有重要差异的新技术。10BASE-T1S提供了10Mb/s的吞吐量，并支持多点操作，具有确定性的冲突处理机制。该标准可以在非屏蔽单对双绞线（SPE）上运行，从而简化了安装过程并降低了成本。

确定性操作的重要性

对于实时系统而言，确定性操作至关重要，因为信息必须在已知时间内传输。传统以太网使用的CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）采用随机时间周期，无法保证通信时间的确定性。而10BASE-T1S使用了一种称为PLCA（物理层冲突避免）的新系统，可以避免总线上的数据冲突。

在PLCA下，由协调器（节点0）发送2.0µs的信标信号来同步网络中的各个节点。然后，节点0获得传输机会。如果没有传输数据，则在默认标准3.2微秒内将机会传递给节点1。如此循环往复，每个节点依次获得一次发送机会。当循环结束后，协调器再次发出信标信号，新的循环开始。如果某个节点试图传输的数据超过允许的帧大小，“jabber”功能会中断传输并将机会传递给下一个节点，从而确保总线不会被阻塞。

通过使用PLCA，最坏情况下的媒体访问延迟可以通过当前节点数量与最大网络帧大小的乘积来计算，这是可以调整的。

电磁兼容性（EMC）性能

许多工业应用都处于恶劣的电磁环境中，开关设备、电机和其他大型设备会产生辐射和传导噪声。尽管10BASE-T1S使用的是非屏蔽双绞线，但它相比现有的以太网协议提供了出色的电磁兼容性（EMC）性能。这部分归功于PLCA的应用。由于总线已知是无冲突的，当环境中存在高水平噪声时，物理层接收器能够使用复杂的算法来检测或恢复信号。

结论

10BASE-T1S标准通过其确定性的操作和出色的电磁兼容性，显著增强了智能楼宇和工厂应用中的边缘连接。它简化了安装过程，降低了成本，并提供了一个统一的网络解决方案，使得工厂4.0应用中的各种设备能够更高效地协同工作。这一新技术为未来的工业自动化和智能制造奠定了坚实的基础。