網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的堆棧結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施通常被描述為一個(gè)“堆棧”，其中最底層是物理實(shí)現(xiàn)，包括布線和媒體。在工廠4.0應(yīng)用中，頂層涉及人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、規(guī)劃、執(zhí)行、自動(dòng)化、跟蹤、庫(kù)存控制和監(jiān)督控制等功能。而最底層則是工廠車間，這里包含了機(jī)器人、執(zhí)行器、運(yùn)動(dòng)傳感器和閥門等邊緣節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)實(shí)際的制造工作，覆蓋多條裝配線。

工廠通信的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

堆棧頂層的通信通常通過多千兆位以太網(wǎng)局域網(wǎng)進(jìn)行。然而，在工廠車間，通信往往是通過多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議（如HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profi-Bus和CAN）組成的零散網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些協(xié)議通常通過一對(duì)雙絞線（可能是屏蔽或非屏蔽）以兆位或更低的速度運(yùn)行。

為了使這些不同的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一起來(lái)并協(xié)同工作，需要安裝網(wǎng)關(guān)來(lái)橋接以太網(wǎng)部分和其他協(xié)議。這種做法導(dǎo)致了通信的碎片化，增加了成本和復(fù)雜性。

10BASE-T1S：一種新型以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

2019年批準(zhǔn)的IEEE 802.3cg規(guī)范引入了10BASE-T1S，這是一種基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)但具有重要差異的新技術(shù)。10BASE-T1S提供了10Mb/s的吞吐量，并支持多點(diǎn)操作，具有確定性的沖突處理機(jī)制。該標(biāo)準(zhǔn)可以在非屏蔽單對(duì)雙絞線（SPE）上運(yùn)行，從而簡(jiǎn)化了安裝過程并降低了成本。

確定性操作的重要性

對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，確定性操作至關(guān)重要，因?yàn)樾畔⒈仨氃谝阎獣r(shí)間內(nèi)傳輸。傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用的CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)）采用隨機(jī)時(shí)間周期，無(wú)法保證通信時(shí)間的確定性。而10BASE-T1S使用了一種稱為PLCA（物理層沖突避免）的新系統(tǒng)，可以避免總線上的數(shù)據(jù)沖突。

在PLCA下，由協(xié)調(diào)器（節(jié)點(diǎn)0）發(fā)送2.0μs的信標(biāo)信號(hào)來(lái)同步網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后，節(jié)點(diǎn)0獲得傳輸機(jī)會(huì)。如果沒有傳輸數(shù)據(jù)，則在默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)3.2微秒內(nèi)將機(jī)會(huì)傳遞給節(jié)點(diǎn)1。如此循環(huán)往復(fù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依次獲得一次發(fā)送機(jī)會(huì)。當(dāng)循環(huán)結(jié)束后，協(xié)調(diào)器再次發(fā)出信標(biāo)信號(hào)，新的循環(huán)開始。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過允許的幀大小，“jabber”功能會(huì)中斷傳輸并將機(jī)會(huì)傳遞給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而確保總線不會(huì)被阻塞。

通過使用PLCA，最壞情況下的媒體訪問延遲可以通過當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)量與最大網(wǎng)絡(luò)幀大小的乘積來(lái)計(jì)算，這是可以調(diào)整的。

電磁兼容性（EMC）性能

許多工業(yè)應(yīng)用都處于惡劣的電磁環(huán)境中，開關(guān)設(shè)備、電機(jī)和其他大型設(shè)備會(huì)產(chǎn)生輻射和傳導(dǎo)噪聲。盡管10BASE-T1S使用的是非屏蔽雙絞線，但它相比現(xiàn)有的以太網(wǎng)協(xié)議提供了出色的電磁兼容性（EMC）性能。這部分歸功于PLCA的應(yīng)用。由于總線已知是無(wú)沖突的，當(dāng)環(huán)境中存在高水平噪聲時(shí)，物理層接收器能夠使用復(fù)雜的算法來(lái)檢測(cè)或恢復(fù)信號(hào)。

結(jié)論

10BASE-T1S標(biāo)準(zhǔn)通過其確定性的操作和出色的電磁兼容性，顯著增強(qiáng)了智能樓宇和工廠應(yīng)用中的邊緣連接。它簡(jiǎn)化了安裝過程，降低了成本，并提供了一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)解決方案，使得工廠4.0應(yīng)用中的各種設(shè)備能夠更高效地協(xié)同工作。這一新技術(shù)為未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)化和智能制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。