Ethernet-APL技術詳解及應用展望

唐孟

(中科合成油工程有限公司,北京 101407)

20世紀80年代,HRAT協(xié)議自出現后就作為智能儀表通信的一個過渡型協(xié)議,一直沿用至今,雖然在20世紀末出現過現場總線等新技術,但是較窄的帶寬、不同總線體系之間的互相制約,限制了其推廣應用,僅應用了很短的一段時間,并沒有取代“4～20 mA+HART”信號傳輸模式在工業(yè)控制領域的主導地位。迄今為止,全球仍有近4×107臺的“4～20 mA+HART”智能儀表構成了現代流程工業(yè)的控制基石[1]。

目前,大多數工廠使用4～20 mA模擬信號作為傳感器、執(zhí)行器和過程控制系統(tǒng)之間的通信方式,這樣的狀態(tài)已經持續(xù)了近30年。在許多工廠管理者看來,該項技術足以實現單純的過程控制,也在過去幾十年中得到了充分驗證,確立了該信號傳輸方式在企業(yè)中的地位。所有重要的過程儀表都支持“4～20 mA+HART”的信號傳輸技術,安裝簡單,維護方便。該技術的局限性是在擴展數據訪問的背景下體現出來的,如需要獲取更多的過程值、診斷信息時,或者用于配置設備等,該技術已無法滿足數字化的需求,而且數據傳輸速度非常慢。

近幾年,隨著通信技術的發(fā)展,出現了一種全新的數據傳輸技術Ethernet-APL(以下簡稱為APL),所服務的對象是流程工業(yè)自動化的底層物理層,其特點是采用兩線制、通信距離長、可滿足防爆需求、儀表信號和供電采用共線等,使之成為用于過程自動化的、基于高速以太網的通信協(xié)議,實現從現場到應用層的無縫數據交換。本文從自控工程的角度,詳細分析APL的技術特點。

1 APL的定義

隨著通信技術的發(fā)展,以太網技術逐漸成為世界上應用最普遍的計算機網絡之一,一般僅在工廠網絡的更高層次上使用,很少應用在現場層次上。這是因為以太網連線電纜默認設置為8芯,連線長度短(不超過100 m)且不具備防爆要求,無法應用到生產過程現場。

2018年,針對生產過程的信號傳輸,產生了一種新的技術——APL,它是基于OSI(open system interconnection)模型中最底層物理層的新型物理鏈接結構,將以太網技術融入生產過程現場,使之能夠滿足雙線結構、防爆要求、信號和供電共線傳輸及其他附加要求。同年,主要流程工業(yè)供應商按該設想簽署了一項開發(fā)APL技術的協(xié)議,稱為“APL項目”。“APL項目”組在早期階段與電氣與電子工程師學會(IEEE)合作,由標準化組織指定一個單獨的物理層10BASE-T1L,它可以無縫融入標準以太網,以滿足流程自動化的要求。

2019年11月,IEEE std 802.3cg: 2019[2]獲得批準后,“APL項目”組將IEEE std 802.3cg: 2019系列的標準化解決方案嵌入到APL技術中,以實現以太網物理層標準的擴展[3]。行業(yè)標準開發(fā)組織(SDO)FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation, PROFIBUS和PROFINET International以及過程自動化的主要行業(yè)供應商包括ABB, Emerson, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R.Stahl, Rockwell, Samson, SEIMENS, Vega和YOKOWAGA都參與了APL的開發(fā),其中Rockwell, Phoenix Contact及Pepperl+Fuchs是工業(yè)交換機的生產廠家,R.Stahl為防爆電器的制造商等,由此可見,APL得到了工業(yè)控制領域的主要生產商的支持。

2 APL技術簡介

APL的OSI結構如圖1所示,APL是OSI模型的物理層的一部分,是眾多物理層的其中之一。

圖1 APL的OSI結構示意

由圖1可以看出,APL是滿足自動化領域特殊需求的許多物理層之一,可以與其他現有物理層并行使用,不會影響上層的運行,APL采用現場交換機等通信技術來完成現場信號的傳輸。

3 APL特性及參數

APL設計取消了接線箱,采用了各類現場交換機,用于支持各種現場儀表信號,具有靈活的拓撲結構,并且易于實現冗余。APL明確規(guī)定了點對點連接,交換機之間的每個連接構成一個“網段”。因此,APL交換機隔離了網段之間的通信,這消除了諸如“串擾”之類的干擾,并在本地保護通信免受不同網段上的設備故障的影響。

APL定義了兩種一般類型的網段:“主干”為長達1 km的電纜,可提供高功率電平信號;“支線”的功率較低,有可選的本質安全性,長度可達200 m。APL技術參數見表1所列,APL電纜按類別可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類,對應的最大干線允許電纜長度分別為250 m,500 m,750 m,1 km。

表1 APL技術參數

因此,APL的物理結構符合過程自控的常規(guī)結構,即采用點對點的連接,又滿足防爆要求,采用雙線結構,可以比較靈活地做到冗余。

4 APL的網路拓撲結構以及典型應用

對于所有可能的網絡拓撲結構,均分解為支線和干線兩種,所有APL的支線結構都是相同的;對于干線有兩種不同的結構,采用的主干通信物理介質也有所不同,同時,給現場儀表供電的位置也有所不同。

4.1 支線拓撲結構

所有APL的支線拓撲結構都相同,如圖2所示。圖2下半部分顯示了現場交換機和現場設備的位置,必須認識到現場設備的位置是由工藝流程和配管位置所確定的,因此,現場交換機應靠近現場設備,并且遵循以下條件:

圖2 APL支線拓撲結構示意

1)根據電纜類別,使用Ⅳ類電纜時,現場設備和現場交換機之間的最大距離為200 m。

2)接入現場交換機的設備數量應符合交換機上的端口數量,并考慮端口的預留。

3)需要遵守現場的防爆等級。

4.2 帶工業(yè)以太網的干線拓撲結構(干線方案1)

該方案使用標準工業(yè)以太網交換機將APL現場交換機連接到控制網絡,控制網絡通過光纖連接到APL現場交換機,也可以采用銅芯電纜,但是應遵守長度限制,多模光纖通常允許APL現場交換機之間的距離可達2 km。APL現場交換機需要由外部輔助電源供電。具有工業(yè)以太網的干線拓撲結構如圖3所示。

圖3 帶工業(yè)以太網的干線拓撲結構示意

4.3 有源的干線拓撲結構(干線方案2)

該方案使用有源APL交換機為現場儀表供電,采用A類電纜作為主干線路,如果是Ⅳ類電纜,最遠距離可達1 km。

使用有源干線的拓撲結構同圖2,根據設備制造廠提供的以下參數計算確定線路長度: APL電源交換機的輸出電壓,連接到供電APL干線的APL現場交換機的數量,連接到現場交換機的APL現場設備的數量及其功耗,主干電纜的橫截面,干線電纜的溫度。線路中每段的最大距離可達1 km。

4.4 APL在爆炸性環(huán)境中的典型應用案例

爆炸性環(huán)境區(qū)域中的干線拓撲結構示例如圖4所示。

圖4 爆炸性環(huán)境區(qū)域中的干線拓撲結構示意

圖4的應用中主干線采用增安型Ex eb/AEx eb,分類為1區(qū),支線采用本安型Ex ia,分類為0區(qū)和1區(qū),現場交換機安裝在1區(qū)。該種結構同SH/T 3217—2021《石油化工FF現場總線控制系統(tǒng)設計規(guī)范》中的拓撲結構類似[4]。該拓撲結構具有以下功能:

1)有源APL交換機安裝在2區(qū),為APL現場交換機和APL現場設備供電。

2)主干線分類為1區(qū)的增強型安全Ex eb/AEx eb。

3)支線分類為1/0區(qū)本質安全Ex ia。

4)必須遵守供電干線上的長度限制/電壓降。

支線拓撲結構的現場交換機安裝區(qū)域如圖5所示。將現場交換機直接連接到工業(yè)以太網控制網絡,現場交換機位于2區(qū),本質安全的支線將APL現場交換機連接到位于1區(qū)/0區(qū)的現場設備。該拓撲結構具有以下特征:

圖5 支線拓撲結構的現場交換機安裝區(qū)域示意

1)APL現場交換機單獨供電,APL現場設備通過現場交換機分散供電。

2)以太網控制網絡的分類為區(qū)域2的增強型安全Ex op pr或更高等級[5],該種情況下,其物理介質為光纖(FO)介質。

3)支線分類為本質安全型,Ex ia適用于1區(qū)/0區(qū)。

4.5 APL網絡結構的特點

APL網絡結構的特點如下,分支是一種類型,區(qū)別在于主干線的不同:

1)帶電源干線(銅線)的拓撲結構具有以下特點:

a)現場交換機不需要輔助電源,電源通過APL電源交換機提供。

b)APL中繼線的最大允許長度取決于APL現場交換機的位置以及連接到APL現場交換機的設備數量和功耗。主干線的橫截面是長度計算的一部分。

c)APL干線上的數據速率為10 Mibit/s,需要對網絡通信負載進行核算和監(jiān)控。

2)工業(yè)以太網(光纜)連接到APL現場交換機的拓撲結構具有以下特點:

a)需要現場輔助電源為現場交換機供電。

b)由于APL現場交換機以100 Mibit/s的速度直接連接到以太網,因此數據速率不受限制。

5 網絡負荷問題

APL使用以太網數據幀來傳送測量數據。IEEE std 802.3cg: 2019中數據幀構成如圖6所示,由圖6可知,以太網數據幀的最小有效負載為46字節(jié),較小的有效載荷被填充來實現最小有效載荷。

圖6 IEEE std 802.3cg: 2019中數據幀構成示意

即使使用多變量變送器,典型APL設備的測量值也符合最小數據幀。假設現場設備的測量值占4個字節(jié),2個字節(jié)是狀態(tài)信息,其他為診斷信息等,且假設這個數據幀中包含了50字節(jié)的有效載荷,這里不考慮網絡控制流量和非循環(huán)流量。現場交換機入站負荷L(in)計算如式(1)所示:

(1)

式中:N——該網段中的接入現場設備的數量;T——控制系統(tǒng)的掃描時間;92——數據幀中的字節(jié)數,每個字節(jié)是8位。

假設該網段中有50個現場設備,DCS刷新時間為50 ms,計算后L(in)=7.36%。如果刷新時間調整為100 ms,則L(in)=3.68%。由此可以看出,僅在使用系統(tǒng)高刷新率時網絡負荷才成為問題。工業(yè)控制中的典型系統(tǒng)刷新時間(100 ms～1 s)不會造成顯著的網絡過載,這為現場儀表的配置、診斷和資產管理的非循環(huán)數據傳輸留下了足夠的帶寬。

網絡負荷取決于設備的數量和設備的刷新時間,所有設備的數據流量之和導致APL段的總網絡負荷。APL段上循環(huán)數據流量的網絡負荷建議見表2所列。

表2 APL段上循環(huán)數據流量的網絡負荷建議

實際工程中,應考慮入站和出站的總負荷,即AI和AO的負荷之和。盡管過程工業(yè)中的典型循環(huán)時間僅導致小負荷,但應考慮最大推薦負荷,以便在通信系統(tǒng)的全生命周期內為將來的擴展留出足夠的儲備。

6 APL工程中關鍵的要素

以爆炸性區(qū)域的現場為基礎,APL工程中關鍵的要素如下:

1)確認APL現場設備的位置。根據工藝流程及配管位置確定APL現場設備的位置。

2)指定現場交換機的位置。最大支線長度,即APL現場交換機和APL現場設備之間的距離,為200 m,規(guī)劃出現場交換機的位置,并符合支線的距離限制。

3)定義APL網絡的基本結構。根據工廠防爆區(qū)域的等級劃分,從APL的幾種拓撲結構中選擇最適合的應用需求。

4)計劃與協(xié)調自動化網絡的鏈接。計劃將APL段鏈接到上層網絡的位置,需要注意的是,該項工作取決于上一步選擇的系統(tǒng)拓撲結構;需要檢查主干線的最大長度;需要根據設備的功耗,計算供電干線的分段長度。

5)驗證網絡負荷。使用公式計算并驗證APL段的最大網絡負荷。

6)APL技術設計需要參考的重要規(guī)范。

7 結束語

根據石化行業(yè)近幾年數字化的應用需求分析,數據通信技術雖然取得了一些成就,但是底層數據傳輸仍然延續(xù)著4～20 mA的基本架構,盡管有過渡的HART通信協(xié)議,從企業(yè)管理層的角度看,這些數據并不完全,管理應用層需要更詳盡的數據,如現場設備的預維護信息等。受制于“4～20 mA+HART”通信方式的有限數據和總線系統(tǒng)的帶寬限制,雖然應用層有很好的數據統(tǒng)計及數據分析軟件,甚至是人工智能軟件等,但是因現場傳輸的數據有限,很難得到很好的利用。APL技術有著帶寬的優(yōu)勢,能夠符合工業(yè)控制領域的點對點、防爆及靈活冗余的要求,預見在未來的幾年內,將有可能替代傳統(tǒng)的“4～20 mA+HART”信號傳輸方式。

APL技術2021年正式發(fā)布,根據對其技術原理的分析,APL應用到流程工業(yè)自動化底層(物理層)是適用的。目前主要的問題是缺少基于APL技術的現場儀表,包括各類變送器、閥門定位器等的支持。希望能夠在一些中小規(guī)模的項目中,有限地應用APL技術,可以是一兩個網段的應用,以積累一定的用戶數據,為將來的大規(guī)模應用提供有效的實踐基礎。