さまざまなデバイス間でのデータ通信は、日常生活の多くの側面で不可欠です。デジタル化とインダストリー4.0によって促進されるデバイスの急増とデータ量の劇的な増加により、通信環境は変化を余儀なくされています。この記事では、接続性、ハードウェア、電源など、産業用2線式イーサネットの10BASE-T1L標準について詳しく説明します。
導入
データ通信は、産業分野だけでなくプロセス自動化においても、ますます大きな役割を果たしています。これまでの4 mA ～ 20 mAまたはフィールドバス アプリケーションは、データ量の急増により限界に達しており、イーサネットが通信標準として定着しつつあります。標準のイーサネット4線式ソリューションは、1対のツイスト ケーブルまたはシングル ペア イーサネット (SPE) で構成される10BASE-T1Lと呼ばれる2線式ソリューションに進化しました。物理層より上では、10BASE-T1Lは100 Mbpsまたは1000 Mbpsの既存の産業用イーサネット技術と互換性があり、補足的なものとなります。
10BASE-T1Lは、特にプロセス自動化において標準化が進んでおり、この分野に抜本的な変化をもたらす可能性があります。まさにここで、これまでセンサーとアクチュエータは通常、4 mA ～ 20 mAのアナログ インターフェースまたはフィールドバスを介して接続されてきました。プロセス自動化では、機械工学やプラント自動化とは異なり、これらのセンサーとアクチュエータは通常、制御システムまたはリモートI/Oシステムから離れた場所にあります。200 mから1000 m以上の距離が一般的です。
10BASE-T1Lとは何を意味しますか?
10BASE-T1Lという名前がその意味を大まかに説明しています。ここでは、電気電子技術者協会 (IEEE) の略語が使用されています。
媒体タイプの「10」は、10 Mbpsの伝送速度を表します。「BASE」はベースバンド信号を指し、イーサネット信号のみがメディア経由で転送できることを意味します。「T」は「ツイストペア」の略です。数字「1」は1 kmの範囲を表します。この場合、後に「長距離」を表す「L」が付き、1 km以上のセグメント長が可能であることを意味します。
10BASE-T1Lはどのようなデバイスやマシンで使用でき、既存のインフラストラクチャをどの程度まで使用できますか?
10BASE-T1Lは、ほとんどのプロセス自動化アプリケーションで4 mA ～ 20 mAの標準化された信号を置き換えるように設計されています。ただし、これは、4 mA ～ 20 mAの電流ループを介して接続された古いフィールド機器を10BASE-T1L対応のフィールド機器に交換する必要があることを意味するものではありません。これらの従来のデバイスはソフトウェア構成可能I/O (SWIO) モジュールを介して接続できますが、リモートI/Oは10 Mbpsイーサネット アップリンクを備えたPLCへの接続の収集ポイントとして機能します。
ソフトウェアで構成可能なI/Oモジュールには再構成可能なモジュール チャネルがあり、大規模な再配線を必要とせずに、迅速かつ簡単にリモートで動作できます。チャネルは、電流と電圧、またはデジタルとアナログの両方の入力または出力として構成できます。
場合によっては、デバイスの電源とデータの両方を、標準の一部として定義されている10BASE-T1L経由で提供することが要求されます。10BASE-T1Lは、ケーブル長が最大1000 mの場合は2.4 V、ケーブル長が最大200 mの場合は1 Vの2つの振幅モードをサポートしています。1.0 Vピークツーピーク振幅モードにより、このテクノロジは防爆環境 (危険区域) でも使用でき、そこで適用される厳格な最大エネルギー消費要件を満たします。
10BASE-T1Lの利点は何ですか?
従来の4mA～20mA（HART対応）® フィールドバス デバイスのデータ帯域幅はわずか数kbpsに制限されています。10BASE-T1Lを使用すると、10 Mbpsの速度を実現できます。これにより、プロセス値だけでなく、構成やパラメータ化情報などの追加のデバイス パラメータも送信できるようになります。将来的には、ますます複雑化するセンサーのソフトウェア更新や、センサーへの回線の短絡などの障害およびネットワーク診断が、データ ライン経由で比較的迅速に実行されるようになります。10BASE-T1Lではゲートウェイやコンバータが不要になるため、構成も簡単になります。ゲートウェイを排除することで、これらの古い設備のコストと複雑さが大幅に削減され、それによって作成されたデータ アイランドが解消されます。
さらに、より高い電力をデータ ライン経由で送信できます。例えば、本質安全領域（危険領域）では500 mW、非本質安全領域でも最大60 Wを送信できます。
PROFINET、EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA、ModbusTCPなどのイーサネット標準や、MQTTなどのIoTプロトコルにより、フィールド デバイスをクラウドに簡単かつ強力に接続できるようになります。
10BASE-T1Lはスイッチ モジュールでも動作しますか?
標準イーサネットと同様に、10BASE-T1Lには、さまざまなネットワーク セグメントとデバイスの結合を可能にするブリッジがあります。さまざまなネットワーク トポロジを実現し、接続されたデバイスに電力を供給するために使用できます。プロセス自動化では、スイッチはコントローラー、HMI、クラウドに接続されることがよくあります。スイッチは、リング トポロジの形式でメディアの冗長性を実現し、可用性を向上させます。
プロセス自動化では、デバイス、センサー、アクチュエータへの接続はスパーとも呼ばれ、スイッチ間の接続や制御システムまでの接続はトランクと呼ばれます。
「2本のワイヤ」を介してデバイスに電源を供給することもできますか?
10BASE-T1L規格は、センサーやアクチュエータからのデータの通信だけでなく、信号線を介してそれらに電力を供給する可能性も提供します。具体的には、10BASE-T1Lは非本質安全領域で最大60 Wの電力を供給できます。防爆（本質安全）エリアでは、電力は500 mWに制限されます。この場合、信号振幅も標準アプリケーションの2.4 Vから1 Vに低減され、そこで適用される最大エネルギーの厳しい要件に準拠します。ただし、その結果、本質安全領域では伝送距離が短縮されるだけです。
結論
10BASE-T1Lは、既存のインフラストラクチャを再利用できる可能性など、従来の4 mA ～ 20 mAアプリケーションに比べて多くの利点を備えた、プロセス自動化のための比較的堅牢な通信規格を提供します。