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“堆棧”，其中最底層是物理實現(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）、機器學(xué)習(xí)（ML）、規(guī)劃、執(zhí)行、自動化、跟蹤、庫存控制和監(jiān)督控制等功能。而最底層則是工廠車間，這里包含了機器人、執(zhí)行器、運動傳感器和閥門等邊緣節(jié)點，負責(zé)實際的制造工作，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)進行。然而，在工廠車間，通信往往是通過多種現(xiàn)場總線協(xié)議（如HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profi-Bus和CAN）組成的零散網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。這些協(xié)議通常通過一對雙絞線（可能是屏蔽或非屏蔽）以兆位或更低的速度運行。

為了使這些不同的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一起來并協(xié)同工作，需要安裝網(wǎng)關(guān)來橋接以太網(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)標準

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

確定性操作的重要性

對于實時系統(tǒng)而言，確定性操作至關(guān)重要，因為信息必須在已知時間內(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）采用隨機時間周期，無法保證通信時間的確定性。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0）發(fā)送2.0μs的信標信號來同步網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點。然后，節(jié)點0獲得傳輸機會。如果沒有傳輸數(shù)據(jù)，則在默認標準3.2微秒內(nèi)將機會傳遞給節(jié)點1。如此循環(huán)往復(fù)，每個節(jié)點依次獲得一次發(fā)送機會。當(dāng)循環(huán)結(jié)束后，協(xié)調(diào)器再次發(fā)出信標信號，新的循環(huán)開始。如果某個節(jié)點試圖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)超過允許的幀大小，“jabber”功能會中斷傳輸并將機會傳遞給下一個節(jié)點，從而確保總線不會被阻塞。

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)點數(shù)量與最大網(wǎng)絡(luò)幀大小的乘積來計算，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、電機和其他大型設(shè)備會產(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。由于總線已知是無沖突的，當(dāng)環(huán)境中存在高水平噪聲時，物理層接收器能夠使用復(fù)雜的算法來檢測或恢復(fù)信號。

結(jié)論

10BASE-T1S標準通過其確定性的操作和出色的電磁兼容性，顯著增強了智能樓宇和工廠應(yīng)用中的邊緣連接。它簡化了安裝過程，降低了成本，并提供了一個統(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)為未來的工業(yè)自動化和智能制造奠定了堅實的基礎(chǔ)。