Trong nhà máy lọc dầu, hóa chất hay xử lý nước, lớp dưới cùng của mạng vẫn là PROFIBUS PA hoặc FOUNDATION Fieldbus H1 — chậm, khó mở rộng, và tách biệt hoàn toàn với hạ tầng Ethernet phía trên. 10BASE-T1L là lớp vật lý được IEEE chuẩn hóa để xóa ranh giới đó: Ethernet thật, chạy tới 1.000 m trên đúng một đôi dây xoắn, mang theo cả nguồn nuôi cho thiết bị trường. Khi bổ sung hồ sơ cổng của Ethernet-APL, nó đi được vào cả những khu vực có nguy cơ cháy nổ.
Bài này giải thích 10BASE-T1L khác gì người anh em 10BASE-T1S, Ethernet-APL thêm những gì lên trên nó, và — phần mà tài liệu tiếp thị thường bỏ qua — đo kiểm 10BASE-T1L trên băng ghế thực tế cần đúng những thiết bị nào.
10BASE-T1L là gì và khác 10BASE-T1S ở đâu?
Cả hai đều ra đời từ một tài liệu duy nhất là IEEE 802.3cg, và đó chính là nguồn gốc của phần lớn nhầm lẫn. Chúng là hai điều khoản khác nhau, mô tả hai lớp vật lý gần như không có tham số nào trùng nhau.
10BASE-T1L nằm ở Clause 146. Đây là liên kết điểm – điểm, song công: đúng hai bên trên một đoạn dây, cả hai cùng phát và cùng nhận. PHY chạy ở 7,5 MBd, điều chế PAM-3 với mã đường truyền 4B3T, và không dùng FEC. Biên độ phát cơ bản là 1 Vpp; tiêu chuẩn cho phép một chế độ 2,4 Vpp tùy chọn, được chọn qua tự thương lượng để bù suy hao trên cáp dài. Với cáp 18AWG, cự ly đạt 1.000 m.
10BASE-T1S ở Clause 147 thì ngược lại gần như mọi mặt: bán song công, 12,5 MBd, mã 4B/5B DME, và điểm đặc trưng nhất là nó cho phép tới 8 nút dùng chung một đôi dây trên đoạn 25 m — đoạn dùng chung này gọi là mixing segment, và cần cơ chế cấp lượt phát PLCA (Clause 148) để các nút không chồng lấn nhau. Chúng tôi đã mổ xẻ riêng lớp vật lý đó trong bài 10BASE-T1S và quy trình đo bus Ethernet ô tô 10 Mbit/s.
Một chi tiết dễ bị đọc lướt: tự thương lượng theo Clause 98 chỉ được định nghĩa cho liên kết điểm – điểm. Nó thuộc về T1L, không phải về đoạn đa điểm của T1S. Trên T1L, chu kỳ đồng hồ dùng cho tự thương lượng được nới tới 1.600 ns — chậm hơn hẳn mức 60 ns của các PHY còn lại, đúng với băng thông hạn chế của một đoạn dây dài cả cây số.
Vì sao nhà máy quá trình cần Ethernet-APL chứ không phải Ethernet thường?
Ethernet chuyển mạch thông thường không dùng được ở lớp thiết bị trường vì ba lý do rất cụ thể. Thứ nhất là cự ly: Ethernet xoắn đôi thông thường bị giới hạn kênh ở 100 m, trong khi một cụm bồn chứa hay một dãy thiết bị ngoài trời có thể cách phòng điều khiển hàng trăm mét. Thứ hai là hạ tầng dây: chuyển sang cáp bốn đôi và đầu RJ45 đồng nghĩa với việc kéo lại toàn bộ tuyến cáp trường hiện có. Thứ ba, và là rào cản cứng nhất, là an toàn cháy nổ — trong vùng có hơi dễ cháy, năng lượng đưa vào mạch phải bị giới hạn để không một tia lửa nào đủ sức gây cháy.
Ethernet-APL giải quyết cả ba bằng cách lấy 10BASE-T1L làm lớp vật lý rồi bổ sung một đặc tả hồ sơ cổng riêng ở trên. Kết quả là một hạ tầng hai dây mang cả dữ liệu Ethernet lẫn nguồn nuôi, đi xa, và có đường dẫn kỹ thuật rõ ràng để được chứng nhận cho khu vực nguy hiểm.
Với các nhà máy tại Việt Nam — lọc hóa dầu ở Dung Quất, Nghi Sơn, Long Sơn, các nhà máy phân bón và hóa chất, nhà máy nước và xử lý nước thải, thực phẩm – đồ uống, dược phẩm — điểm hấp dẫn nhất không nằm ở tốc độ. Nó nằm ở chỗ loại cáp gần như không đổi. Yêu cầu của APL là đôi dây xoắn có màn chắn, trở kháng 100 Ω ±20 % trong dải 100 kHz – 20 MHz, lõi từ 26AWG đến 14AWG — chính là loại cáp vẫn được dùng cho PROFIBUS PA và FOUNDATION Fieldbus H1. Đổi lớp vật lý, giữ nguyên phần lớn hạ tầng dây đã kéo.
Ethernet-APL cấp nguồn và dữ liệu trên hai dây như thế nào?
Cấu trúc mạng APL là trunk-and-spur: một đoạn trục (trunk) chạy từ phòng điều khiển tới field switch đặt gần khu vực thiết bị, rồi từ đó tỏa ra các nhánh (spur) tới từng thiết bị trường. Trunk đi tới 1.000 m, mỗi nhánh tới 200 m. Toàn hệ thống nuôi được tới 50 thiết bị trường, mỗi thiết bị nhận tới 500 mW.
Phần cấp nguồn được chuẩn hóa thành các hạng cổng nguồn. Hạng A và C là cổng nhánh, tối đa 15 V DC, công suất ra tối thiểu lần lượt 0,54 W và 1,1 W; hạng A chỉ nhận tải hạng A, hạng C nhận cả A và C. Hạng 3 và 4 là cổng trunk ở mức 50 V DC, công suất tối thiểu 57,5 W và 92 W; hạng 3 nhận tải hạng 3, hạng 4 nhận cả 3 và 4.
Có hai điều rất dễ hiểu nhầm ở bảng này. Thứ nhất: mọi tổ hợp cổng – tải nằm ngoài bảng đều không được phép, đây là danh sách đóng chứ không phải gợi ý. Thứ hai, và quan trọng hơn với người làm an toàn: một tổ hợp được phép theo bảng vẫn chưa tự động có nghĩa là mạch đó an toàn nội tại. Đó là hai phép đánh giá tách rời nhau.
An toàn nội tại 2-WISE nghĩa là gì với kỹ sư đo lường?
Khái niệm an toàn của Ethernet-APL mang tên 2-WISE — 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet — được quy định trong IEC TS 60079-47:2021. Nó cho phép triển khai ở Zone 0, Zone 1 và Zone 2; riêng mức bảo vệ “ia” phù hợp cho Zone 0, Zone 20 hoặc DIV 1, tức là những vùng có hơi dễ cháy hiện diện thường xuyên.
Điều này kéo theo hệ quả rất thực tế ở khâu đấu nối. Hồ sơ cổng APL chấp nhận cầu đấu vít hoặc kẹp lò xo, đầu nối M12 mã A và M8 mã A — nhưng M8 mã A không được dùng cho mạch an toàn nội tại. Một chi tiết cơ khí nhỏ như vậy đủ để làm hỏng hồ sơ chứng nhận của cả một tuyến.
Đo kiểm 10BASE-T1L cần những thiết bị nào?
Đây là chỗ cần nói thẳng một điều trước khi đi tiếp: Keysight không có ứng dụng đo tuân thủ chuyên dụng cho 10BASE-T1L hay Ethernet-APL. Các gói phần mềm đo Ethernet ô tô của hãng phục vụ dải 10M–1GBASE-T và các chuẩn ô tô, không phải T1L. Vì vậy băng ghế đo T1L hiện nay được dựng từ thiết bị đo đa dụng kết hợp với phần cứng mô phỏng kênh và phần mềm tự động hóa của bên thứ ba.
Một cấu hình đã được công bố là bộ thiết bị trong tài liệu ứng dụng của Telebyte về đo tuân thủ nguồn và dữ liệu Ethernet-APL. Phiên bản 2023 của cấu hình đó được dựng hoàn toàn trên thiết bị Keysight ở phần đo:
- Máy hiện sóng Keysight EXR054A Infiniium EXR-Series — quan sát dạng sóng PAM-3 và các sự kiện quá độ trên đôi dây.
- Bộ nguồn DC lập trình được Keysight E36232A — mô phỏng cổng nguồn APL ở 15 V hoặc 50 V.
- Máy phát dạng sóng Keysight 33612A — bơm nhiễu và tín hiệu thử vào kênh.
- Máy phân tích mạng vector Keysight P9370B — đo đặc tính kênh trong dải làm việc của cáp.
- Đồng hồ vạn năng Keysight 34465A Truevolt — đo dòng và áp một chiều trên đôi dây.
Phần còn lại của băng ghế không phải của Keysight và cũng không thể thiếu: một bộ mô phỏng kênh 10BASE-T1L Telebyte 4950 kèm đầu dò 4950-P01, một link partner 10BASE-T1L tham chiếu, và phần mềm tự động hóa đo SPE.
Cần đọc danh sách này đúng phạm vi của nó: đây là một cấu hình đã được công bố ở bản 2023, không phải cấu hình duy nhất và cũng không phải cấu hình hiện hành — bản cập nhật sau đó của cùng tài liệu đã thay một phần thiết bị bằng hãng khác. Và không thiết bị nào trong danh sách được “chứng nhận” cho APL — chúng là thiết bị đo đa dụng dùng trong một băng ghế đo APL.
Vì sao EXR054A hợp với băng ghế đo APL?
EXR054A có băng thông 500 MHz, 4 kênh tương tự, tốc độ lấy mẫu 16 GSa/s, ADC 10 bit và bộ nhớ 1,6 Gpts. Với một tín hiệu 7,5 MBd thì băng thông 500 MHz là dư dả — nhưng đó không phải lý do chính.
Lý do chính là nền nhiễu và số kênh. Tín hiệu T1L chỉ có biên độ 1 Vpp (hoặc 2,4 Vpp), nên thứ quyết định chất lượng phép đo là phần nhiễu của chính máy đo chồng lên tín hiệu, chứ không phải băng thông. Keysight công bố cho dòng EXR mức nhiễu thấp nhất tới 43 µV và ENOB tới 9,0 — đây là các con số trường hợp tốt nhất và trang sản phẩm không nêu thang dọc áp dụng, nên hãy đọc chúng như giới hạn trên của năng lực, không phải như đặc tính ở mọi thiết lập. Bốn kênh thì cho phép quan sát đồng thời tín hiệu vi sai, điện áp cấp nguồn trên cùng đôi dây và một tín hiệu tham chiếu — mà không phải đo hai lần rồi ghép kết quả.
Ở lớp kênh truyền, những kỹ thuật quen thuộc trên các bus tốc độ cao vẫn dùng lại được: đo jitter và eye diagram để đánh giá biên độ mở của mắt tín hiệu, đo tỉ lệ lỗi bit khi kiểm tra phía thu, và de-embedding đồ gá theo IEEE 370 khi cần tách ảnh hưởng của dây nối và bộ chuyển đổi ra khỏi kết quả. Với các chuẩn Ethernet ô tô tốc độ cao hơn, chúng tôi đã trình bày riêng trong bài kiểm thử Ethernet ô tô đa gigabit.
Doanh nghiệp Việt Nam nên bắt đầu từ đâu?
Với đơn vị vận hành nhà máy, bước đầu tiên không phải mua thiết bị đo mà là khảo sát lại tuyến cáp hiện có: đo trở kháng đặc tính trong dải 100 kHz – 20 MHz, xác định tiết diện lõi và tình trạng màn chắn. Nếu tuyến cáp PROFIBUS PA hoặc FF H1 sẵn có đạt yêu cầu, phần lớn chi phí kéo dây được giữ lại.
Với đơn vị thiết kế thiết bị trường hoặc field switch, bài toán ngược lại: cần một băng ghế đo dựng được cả phần tín hiệu lẫn phần cấp nguồn, vì trong APL hai thứ đó nằm trên cùng đôi dây và ảnh hưởng lẫn nhau. Đó là lý do cấu hình tham chiếu ở trên có cả máy hiện sóng, nguồn DC lập trình được, máy phát dạng sóng, VNA và DMM — chứ không chỉ một máy hiện sóng.
Techmaster Electronics là nhà phân phối ủy quyền của Keysight tại Việt Nam và có phòng hiệu chuẩn đạt ISO/IEC 17025. Xem thêm danh mục thiết bị đo Keysight tại trang Keysight, hoặc liên hệ Techmaster để được tư vấn cấu hình băng ghế đo phù hợp với dự án của bạn.
Nguồn tham khảo
- IEEE P802.3cg Task Force Tutorial, tháng 1/2019 — định nghĩa Clause 146 (10BASE-T1L), Clause 147 (10BASE-T1S) và Clause 148 (PLCA).
- IEEE 802.3cg Task Force — trang chính thức của nhóm xây dựng chuẩn.
- Ethernet-APL Engineering Guideline V1.14 (19/9/2022) — mục 4.1.4 (cáp) và Bảng 4-5 (hạng cổng nguồn).
- ethernet-apl.org — tài liệu kỹ thuật của Ethernet-APL.
- IEC TS 60079-47:2021 — khái niệm 2-WISE (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet).
- Telebyte, “Automated Ethernet-APL Power & Data Conformance Testing”, App Note Rev 7.2.2 (2023) — cấu hình băng ghế đo được dẫn trong bài.
- Trang sản phẩm Keysight EXR054A — 500 MHz, 4 kênh, 16 GSa/s, ADC 10 bit, nhiễu thấp nhất tới 43 µV, ENOB tới 9,0.
Câu hỏi thường gặp về 10BASE-T1L và Ethernet-APL
10BASE-T1L có phải là Ethernet-APL không?
Không hoàn toàn. 10BASE-T1L là lớp vật lý được IEEE 802.3cg định nghĩa ở Clause 146. Ethernet-APL lấy lớp vật lý đó rồi bổ sung đặc tả hồ sơ cổng riêng, trong đó có các hạng cổng nguồn và yêu cầu an toàn nội tại. Nói cách khác, mọi liên kết APL đều dùng 10BASE-T1L, nhưng một liên kết 10BASE-T1L không mặc nhiên là APL.
10BASE-T1L đi được bao xa và ở tốc độ nào?
Tới 1.000 m với cáp 18AWG, ở 10 Mbit/s song công. PHY chạy 7,5 MBd với điều chế PAM-3 và mã 4B3T, không dùng FEC. Trong cấu trúc Ethernet-APL, con số 1.000 m áp dụng cho đoạn trunk, còn mỗi nhánh tới thiết bị trường giới hạn ở 200 m.
Có phải dùng cáp mới khi chuyển sang Ethernet-APL không?
Không nhất thiết. Yêu cầu là đôi dây xoắn có màn chắn, trở kháng 100 Ω ±20 % trong dải 100 kHz – 20 MHz, lõi 26AWG–14AWG — đúng loại cáp vẫn dùng cho PROFIBUS PA và FOUNDATION Fieldbus H1. Tuyến cáp hiện có cần được khảo sát và đánh giá trước khi kết luận là tái sử dụng được.
Tổ hợp hạng cổng nguồn và hạng tải hợp lệ có nghĩa là mạch đã an toàn nội tại chưa?
Chưa. Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của Ethernet-APL nêu rõ hai điều tách biệt: mọi tổ hợp ngoài bảng hạng cổng đều không được phép, và một tổ hợp được phép vẫn phải được kiểm chứng riêng theo khái niệm 2-WISE (IEC TS 60079-47:2021) thì mới kết luận được về an toàn nội tại của đoạn mạch cụ thể đó.
Keysight có phần mềm đo tuân thủ riêng cho 10BASE-T1L không?
Không. Tính đến thời điểm bài viết, Keysight không công bố ứng dụng đo tuân thủ chuyên dụng cho 10BASE-T1L hay Ethernet-APL; các gói đo Ethernet ô tô của hãng phục vụ dải 10M–1GBASE-T. Băng ghế đo T1L hiện được dựng từ thiết bị đo đa dụng như máy hiện sóng, nguồn DC lập trình được, máy phát dạng sóng, VNA và DMM, kết hợp phần cứng mô phỏng kênh và phần mềm tự động hóa của bên thứ ba.
