網絡基礎設施的堆棧結構

網絡基礎設施通常被描述為一個“堆棧”，其中最底層是物理實現，包括布線和媒體。在工廠4.0應用中，頂層涉及人工智能（AI）、機器學習（ML）、規劃、執行、自動化、跟蹤、庫存控制和監督控制等功能。而最底層則是工廠車間，這里包含了機器人、執行器、運動傳感器和閥門等邊緣節點，負責實際的制造工作，覆蓋多條裝配線。

工廠通信的現狀與挑戰

堆棧頂層的通信通常通過多千兆位以太網局域網進行。然而，在工廠車間，通信往往是通過多種現場總線協議（如HART、RS-485、Modbus、DeviceNet、Profi-Bus和CAN）組成的零散網絡來實現的。這些協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絡統一起來并協同工作，需要安裝網關來橋接以太網部分和其他協議。這種做法導致了通信的碎片化，增加了成本和復雜性。

10BASE-T1S：一種新型以太網標準

2019年批準的IEEE 802.3cg規范引入了10BASE-T1S，這是一種基于標準以太網但具有重要差異的新技術。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

對于實時系統而言，確定性操作至關重要，因為信息必須在已知時間內傳輸。傳統以太網使用的CSMA/CD（載波監聽多路訪問/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，可以避免總線上的數據沖突。

在PLCA下，由協調器（節點0）發送2.0μs的信標信號來同步網絡中的各個節點。然后，節點0獲得傳輸機會。如果沒有傳輸數據，則在默認標準3.2微秒內將機會傳遞給節點1。如此循環往復，每個節點依次獲得一次發送機會。當循環結束后，協調器再次發出信標信號，新的循環開始。如果某個節點試圖傳輸的數據超過允許的幀大小，“jabber”功能會中斷傳輸并將機會傳遞給下一個節點，從而確?？偩€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前節點數量與最大網絡幀大小的乘積來計算，這是可以調整的。

電磁兼容性（EMC）性能

許多工業應用都處于惡劣的電磁環境中，開關設備、電機和其他大型設備會產生輻射和傳導噪聲。盡管10BASE-T1S使用的是非屏蔽雙絞線，但它相比現有的以太網協議提供了出色的電磁兼容性（EMC）性能。這部分歸功于PLCA的應用。由于總線已知是無沖突的，當環境中存在高水平噪聲時，物理層接收器能夠使用復雜的算法來檢測或恢復信號。

結論

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，并提供了一個統一的網絡解決方案，使得工廠4.0應用中的各種設備能夠更高效地協同工作。這一新技術為未來的工業自動化和智能制造奠定了堅實的基礎。