Ethernet-APL兩線以太網(wǎng)技術介紹

方原柏

(昆明儀器儀表學會，云南 昆明 650228)

以太網(wǎng)是辦公環(huán)境中的主流通信技術，工業(yè)以太網(wǎng)是應用于工業(yè)控制領域的以太網(wǎng)技術，在技術上與商用以太網(wǎng)兼容，但實際產(chǎn)品和應用在適用性、實時性、交互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面又不相同，能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢是： 應用廣泛、通信速率快、資源共享能力強、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆５酝诳刂祁I域，工業(yè)以太網(wǎng)的應用局限在頂層，能否將其向下延伸到現(xiàn)場設備層呢？

基于該設想，2018年，主要流程工業(yè)供應商簽署了一項開發(fā)以太網(wǎng)高級物理層技術Ethernet-APL(ethernet-advanced physical layer)的協(xié)議，稱為“APL項目”。該項目得到了行業(yè)標準開發(fā)組織FieldComm Group，ODVA，OPC Foundation，PROFIBUS&和PROFINET International等機構的支持。主要合作的自動化廠商有： ABB,EMERSON,Endress+Hauser,Krohne,PHOENIX CONTACT,Rockwell Automation,PEPPERL+FUCHS,SAMSON,SIMENS,Stahl,Vega和YOKOGAWA[1]。

2019年11月在“APL項目”運作期間，以太網(wǎng)新的物理層10BASE-T1L的IEEE802.3cg： 2019 IEEEstandardforethernetamendment5：physicallayerspecificationsandmanagementparametersfor10 Mb/soperationandassociatedpowerdeliveryoverasinglebalancedpairofconductors技術方案獲得批準，這是一個單獨的物理層標準，可滿足流程自動化的要求[2]，Ethernet-APL技術采用了嵌入IEEE802.3cg： 2019系列的標準化解決方案，實現(xiàn)了以太網(wǎng)物理層標準的擴展，可以完成從現(xiàn)場級到控制系統(tǒng)級的連續(xù)IP通信。而IEC TS 60079-47IECExplosiveatmospheres-part47：equipmentprotectionby2-wireintrinsicallysafeEthernetconcept(2-WISE)，列入了2-WISE用于兩線本質安全以太網(wǎng)保護設備概念。由此，用戶得到一個單一的以太網(wǎng)物理層，它可以實現(xiàn)長距離電纜傳輸、本質安全應用[3]。

2021年6月，正式推出Ethernet-APL技術并頒布規(guī)格、工程指南和一致性測試計劃。從2019年開始，支持“APL項目”的廠家在一些展會上展示了為Ethernet-APL技術提供10BASE-T1L所需的芯片及支持Ethernet-APL技術的交換機、現(xiàn)場設備的原型產(chǎn)品。

與此同時，作為實踐評估項目，2019年在德國路德維希港的巴斯夫公司的測試設置中，安裝了來自不同制造商的Ethernet-APL技術原型產(chǎn)品，并向過程控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)[4]。在美國俄亥俄州西切斯特寶潔公司CET實驗室智能過程單元的Ethernet-APL演示裝置上，安裝了支持Ethernet-APL技術的現(xiàn)場交換機、液位變送器、壓力變送器，溫度變送器等設備。寶潔公司對演示結果感到滿意，認為Ethernet-APL技術能夠訪問多變量信息和診斷信息，具有如同它宣傳的那些優(yōu)點。而在幾年前，寶潔公司也做了一個類似的演示項目來評估基金會現(xiàn)場總線，但得出的結論是，它不適合該公司的工藝過程[5]。

1 Ethernet-APL技術

1.1 Ethernet-APL技術簡介

Ethernet-APL用于過程自動化的新體系結構如圖1所示，APL電源交換機往上層可通過工業(yè)以太網(wǎng)連接控制系統(tǒng)或云應用，往下層可以連接多臺APL現(xiàn)場交換機，其相互間連線稱為APL主干線，主干線還可選擇環(huán)形冗余連接方式。多臺APL現(xiàn)場設備可分組通過APL支線與多臺APL現(xiàn)場交換機的端口連接[6]。在這里，Ethernet-APL技術延續(xù)了現(xiàn)場總線安裝中常見的主干線和支線技術。

電源交換機通常由外部供電，以便為網(wǎng)絡提供能量，電源交換機將電源和通信饋送到一個或多個主干線端口，它負責四線以太網(wǎng)到兩線以太網(wǎng)的轉換。現(xiàn)場交換機可以通過主干線供電或外部供電，現(xiàn)場交換機上可提供多個連接支線的端口，比如PEPPERL+TUCHS目前提供的APL現(xiàn)場交換機的端口數(shù)量有8，16，24個，據(jù)稱最多可以做到50個端口。

圖1 Ethernet-APL的系統(tǒng)結構示意

APL現(xiàn)場設備是指帶Ethernet-APL接口的現(xiàn)場設備，它支持Ethernet/IP，HART-IP，OPC-UA，PROFINET或任何其他基于以太網(wǎng)的更高級別自動化協(xié)議。

1.2 Ethernet-APL系統(tǒng)的可能拓撲結構

根據(jù)應用現(xiàn)場的具體需求，Ethernet-APL系統(tǒng)可能有多種類型的拓撲結構[7]，現(xiàn)介紹其中的三類拓撲結構。

1.2.1 現(xiàn)場交換機與標準交換機直接連接

現(xiàn)場交換機與標準交換機直接連接的拓撲結構使用標準工業(yè)以太網(wǎng)直接將APL現(xiàn)場交換機連接到控制網(wǎng)絡的標準交換機，在該情況下，不需要電源交換機，但APL現(xiàn)場交換機需要由輔助電源供電。控制網(wǎng)絡可通過光纖路由至APL現(xiàn)場交換機，也可通過銅纜，但有長度限制。

現(xiàn)場交換機與標準交換機直接連接如圖2所示。圖2中的主干線為采用光纖的工業(yè)以太網(wǎng)，APL現(xiàn)場交換機之間的主干線的長度，光纖限制在2 km以內(nèi)，銅纜限制在100 m以內(nèi)。APL現(xiàn)場交換機與APL現(xiàn)場設備之間的支線長度，限制在200 m以內(nèi)。APL現(xiàn)場設備的連接數(shù)量取決于APL現(xiàn)場交換機的端口數(shù)量，用戶可根據(jù)APL現(xiàn)場設備的連接數(shù)量選擇APL現(xiàn)場交換機的端口數(shù)量。

1.2.2 APL主干線不帶電源

由于主干線工作有帶電源和不帶電源2種方式，當APL主干線不帶電源時，APL現(xiàn)場交換機需要由輔助電源供電。在該情況下，APL現(xiàn)場交換機需通過APL電源交換機連接到控制網(wǎng)絡。

圖2 現(xiàn)場交換機與標準交換機直接連接示意

APL現(xiàn)場交換機與APL電源交換機之間或APL現(xiàn)場交換機與另一臺APL現(xiàn)場交換機的連接主干線的最大距離為1 km。

1.2.3 APL主干線帶電源

當APL主干線帶電源時，APL現(xiàn)場交換機需通過APL電源交換機連接到控制網(wǎng)絡。APL現(xiàn)場交換機與APL電源交換機之間或APL現(xiàn)場交換機與另一臺APL現(xiàn)場交換機的連接主干線的最大距離為1 km。對于供電APL主干線，電源交換機與線路上最遠的現(xiàn)場交換機的最大距離取決于主干線上的電源損耗、主干線電纜的截面積和要求的線段長度。由于APL主干線帶電源，APL現(xiàn)場交換機不需要由輔助電源供電。

Ethernet-APL系統(tǒng)三種拓撲結構的特點見表1所列。

表1 Ethernet-APL系統(tǒng)三種拓撲結構的特點

2 圖例符號

在Ethernet-APL項目發(fā)布的《工程指南》中，列出了分別用于構造該文件文本的符號、電纜類型/連接器和電源的符號、所用部件的符號、廠區(qū)的符號等四類。限于篇幅，僅列出部分所用部件的符號見表2所列[7]。

3 Ethernet-APL技術的看點

就自動化行業(yè)信息傳輸方式來說，從4～20 mA開始，先后推出過HART、現(xiàn)場總線、無線等先進技術。HART技術是40多年來業(yè)界廣受信任的通信協(xié)議，它將調制后的正弦信號疊加在4～20 mA的模擬信號上，增加了數(shù)字通信，除了主要變量采用4～20 mA模擬信號傳送外，其他有關測量、過程參數(shù)、設備組態(tài)、校準、診斷等信息可通過HART協(xié)議訪問。但遺憾的是，大多數(shù)HART設備擁有的數(shù)字通信數(shù)據(jù)未能傳送到控制系統(tǒng)或者未能充分利用。

現(xiàn)場總線技術作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡的基礎，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場與控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個底層網(wǎng)絡，而且還是一種開放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。但其具有成本高、速度低、相對適合新建工程項目等缺陷，再加上數(shù)十個現(xiàn)場總線標準的無序競爭、不同現(xiàn)場總線標準產(chǎn)品互聯(lián)困難，以及總線技術過于復雜，安裝、維護人員需要大量培訓才能勝任工作，因此其發(fā)展受到一定的限制。如根據(jù)瑞典HMS工業(yè)網(wǎng)絡有限公司的調查顯示： 2018年現(xiàn)場總線新節(jié)點數(shù)量增長了6%，但2019年則下降了5%[8]。

表2 Ethernet-APL的部件符號(部分)

無線通信方式具有節(jié)省電纜、簡化安裝、提高信息的可用性等優(yōu)點，但受電源能量制約，刷新率低限制了在控制回路、安全回路等場合的應用，功率低限制了某些參數(shù)檢測的應用。所以它只是對HART、現(xiàn)場總線技術的補充。

而Ethernet-APL技術通過創(chuàng)建新的物理層解決方案，以滿足相關工藝過程可靠運行所需的要求。該技術具有如下特點：

1)功率更大。Ethernet-APL技術采用兩線以太網(wǎng)向APL現(xiàn)場設備同時提供通信與供電的功能，這一點與兩線制變送器類似。但兩線制變送器(包括4～20 mA信號或帶HART協(xié)議)提供的功率約為36 mW，還要保證電流低至4 mA時仍然能正常工作，像一般的壓力、溫度、液位變送器還能應付，而電磁流量計和科里奧利流量計則往往要采用單獨供電的四線制變送器；現(xiàn)場總線的情況與HART類似，也是24 V(DC)供電，靜態(tài)工作電流也很小(如20 mA)；無線設備依靠鋰電池供電，功率更是受限。而Ethernet-APL可以為非防爆應用提供60 W的功率，為防爆應用提供500 mW的功率，這大約是HART設備的10～20倍。這樣一些四線制的變送器又可以采用兩線制，從而簡化安裝。但即使是現(xiàn)在已經(jīng)采用兩線供電的設備，也可以從Ethernet-APL提供的更大功率中受益，因為更大的功率意味著更強大的微處理器，能夠實現(xiàn)更高級的信號處理。這有利于某些類型的測量，例如基于雷達和超聲波的測量，通過更好的信號處理，這些測量變得更加準確和穩(wěn)健。同時更大的功率也意味著這些測量的刷新速度更快、啟用的功能更多、綜合性能更好。

2)帶寬更寬。首先對HART、現(xiàn)場總線以及Ethernet-APL技術的10BASE-T1L通信的數(shù)據(jù)帶寬做一個簡單的比較，HART的帶寬是1.2 Kibit/s ，現(xiàn)場總線的帶寬以FF現(xiàn)場總線低速H1卡為例是31.25 Kibit/s，Ethernet-APL技術10BASE-T1L帶寬是10 Mibit/s，這相當于是HART的8 000多倍、FF現(xiàn)場總線低速H1卡的300多倍[9]。這意味著在Ethernet-APL網(wǎng)絡上可以承載更多的數(shù)據(jù)，能夠容納更多的設備，能夠支持具有更高帶寬要求的其他類型的設備。

3)布線更簡單。Ethernet-APL技術的10BASE-T1L標準定義了信道模型，該模型非常適合現(xiàn)場總線電纜，因此，某些已安裝現(xiàn)場總線設備的電纜有可能在轉換成Ethernet-APL設備時重復使用。與更復雜的電纜相比，單根雙絞線電纜成本低，尺寸小并且更易于安裝。

4)通信距離更長。迄今為止，過程自動化應用中的現(xiàn)場級設備和控制系統(tǒng)之間的物理距離一般限制為100 m，而在過程自動化應用中有很多是100 m～1 km的距離，Ethernet-APL技術可將通信距離拉長到1 km甚至更遠，并以極低的功耗和極高的可靠性與現(xiàn)場設備連接。

5)可用于防爆區(qū)域。Ethernet-APL技術支持兩種電壓峰值模式，一種是1 km線纜的2.4 V峰值，一種是200 m距離的1.0 V峰值。1.0 V峰值的模式意味著Ethernet-APL技術滿足了嚴格的最大能量限制，所以現(xiàn)場設備能夠在防爆區(qū)域中安裝使用。還有一個特點是無論是在防爆區(qū)域還是在非防爆區(qū)域，Ethernet-APL技術采用的是同樣的設備——如同樣的APL現(xiàn)場交換機、同樣的APL現(xiàn)場設備。

4 結束語

Ethernet-APL技術的引入是一個重要的技術里程碑，由于它基于以太網(wǎng)，有望統(tǒng)一并大幅簡化未來的控制和信息體系結構，為流程工業(yè)提供了一個新的高性能數(shù)字現(xiàn)場通信范例。而高帶寬和大功率的特點，有望造就新一代功能更強大的現(xiàn)場設備。Ethernet-APL技術2021年才正式發(fā)布，包括產(chǎn)品性能、市場價格、用戶接受程度及全球經(jīng)濟形勢都存在許多不確定的因素。但它畢竟對自動化行業(yè)目前占主流地位的HART、現(xiàn)場總線構成挑戰(zhàn)，是一項頗具潛力的新技術。中國早在20年前就首先將工業(yè)以太網(wǎng)技術用于過程控制，筆者相信，在開發(fā)Ethernet-APL技術產(chǎn)品、擴大Ethernet-APL技術應用方面，中國不會落后的。