面向終端用戶和設備制造商的Ethernet-APL

文/Thomas Rummel

利用Ethernet-APL可與現場設備快速聯接，實現流程自動化——Ethernet-APL（高級物理層）通過以太網協議實現與現場設備的無縫連接，從而大大簡化了大型自動化網絡的構建，并為流程工業的終端客戶帶來了極大的益處。

從簡單的傳感器到復雜的分析儀器，我們發現在流程工業中已安裝了數以百萬計的設備，且每年還有數以百萬計的設備在增加。即使在今天，大多數設備仍然使用4-20 mA技術，并通過HART協議來進行數字點對點通信。像PROFIBUS PA和FOUNDATION Fieldbus H1等數字現場總線大約是在30年前被引入的，它們不僅給控制系統提供了現場設備的過程值，還提供了其他測量變量、各種參數和現場設備狀態等。顯然，這些數字現場總線的部署僅限于數量相對較少且通常是高度專業化的應用，因為它們的復雜性和多功能性。這些數字現場總線通常需要大量的專業知識，還需特殊的網關組件，以將其集成到更高級別系統的以太網基礎設施中。除了會帶來額外的硬件成本外，配置這些網關也需相當多的配置工作。為克服這些障礙，2022年推出了一項新標準——Ethernet-APL，用于與現場設備保持一致（同步）的以太網通信。該標準考慮到了流程工業的具體要求，例如用簡單的兩線制長距離橋接，不僅可提供數據通信，還可為連接的現場設備進行供電。Ethernet-APL與HART等現場總線相比，數據傳輸速率顯著提高到了10 Mbps，同時通過規范Ethernet-APL的性能標準也可實現本質安全。雖然Ethernet-APL是在低級別以太網基礎上定義新的傳輸標準，但它也適用于任何基于以太網的高級別協議。Ethernet-APL初次實現了從生產網絡甚至公司網絡到現場設備的透明通信，且無需網關。此外，它還可自由選擇自動化協議，以及與以太網相關的其他所有便利性，例如Web服務器、OPC UA和云/邊緣連接。

用于流程工業的Ethernet-APL現場設備可快速安全地進行部署，而無需豐富的Ethernet-APL專業知識

Ethernet-APL技術已成熟到允許在生產環境中部署相應的設備。然而，終端用戶和設備制造商在開始使用這項技術時都會遇到一個挑戰，即如何在短時間內獲得盡可能全面地運行組件。對此，如果用戶使用契合現場設備的基礎設施組件和通信模塊，那么這個挑戰的難度將會大大降低——如下文所述。

Ethernet-APL的不同網絡拓撲

Ethernet-APL工程指示文件描述了Ethernet-APL網絡的三種不同的拓撲結構，且Ethernet-APL支線的部署在這三種拓撲結構中都是相同的。Ethernet-APL設備可通過長達200 m的Ⅳ類電纜連接到交換機，并以10 Mbps的傳輸速率進行通信。

· 在第一種拓撲方案中

APL現場網關直接連接到標準工業以太網網絡，如圖1所示。現場交換機是安裝在控制柜內還是直接安裝在現場取決于安裝環境。在此處，“控制網絡”可使用普通的以太網銅纜或光纖來實現。這部分網絡的典型數據傳輸速率為100 Mbps。

圖1 標準Ethernet拓撲結構

· 另外兩種拓撲方案

它們運用了“APL中繼概念”。APL現場交換機通過Ethernet-APL干線連接到“控制網絡”。這兩種方案與第一種的不同之處在于，通過APL干線的供電位置（見圖2）。

圖2 主干 – 分支Ethernet拓撲結構

假設現場設備使用第一種拓撲方案，通過APL現場網關直接集成到“控制網絡”。針對這種應用場景，Softing提供了一款現場交換機，其作為一款新的APL網關產品可通過銅纜和光纖連接到“控制網絡”，此外，用戶可將優化過的交換機型號直接安裝在現場和控制柜中。第一個Ethernet-APL現場交換機，作為原型，是一個直接安裝在現場的型號，其允許將Ethernet-APL現場設備連接到Ex zone 1和0，如圖3所示。

圖3 首個作為原型可用的Ethernet-APL現場交換機

網絡的穩定性

為確保PROFINET網絡的穩定運行，需嚴格控制Ethernet-APL設備所承載的網絡負載。否則，在峰值負載期間，個別設備將存在偶發故障的風險。

在網絡從100 Mbps過渡到10 Mbps的情況下，100 Mbps“控制網絡”中更高的網絡負載對于10 Mbps支線上的Ethernet-APL設備影響很大，因為它們的數據吞吐量只有“控制網絡”的10%。對此，IEEE（電氣和電子工程師協會）制定了限制交換機端口的進出數據流量的標準。Softing Ethernet-APL交換機支持這些網絡負載速率限制，從而可確保網絡的穩定運行。

PROFIBUS PA設備

隨著企業開始推廣Ethernet-APL，他們會遇到這樣一個問題：工廠里沒有足夠的設備可用作Ethernet-APL模塊。在PROFINET Ethernet-APL網絡的特定情況下，這個問題可通過用現有的PROFIBUS PA設備來替換這些不存在的PROFINET Ethernet-APL設備而得到緩解。

到目前為止，將PROFIBUS PA設備集成到PROFINET網絡通常使用的是PROFINETPROFIBUS PA代理網關，如Softing的pnGate PA，且為了避免用戶在過渡期間安裝額外的網關，將PROFINET-PROFIBUS PA代理集成到Ethernet-APL現場交換機中是很有意義的——這使得PROFIBUS PA設備可直接連接到交換機上。

具有集成PROFINETPROFIBUS PA代理的模塊可用于所有Softing Ethernet-APL現場交換機。從技術層面上來講，交換機創建了一個額外的PROFIBUS PA網段，然后PROFIBUS PA設備連接到該網段。而在交換機的PROFINET設備中顯示的模塊可在PROFINET控制器中使用，以訪問來自PROFIBUS PA設備的數據。

在Ethernet-APL PROFINET設備和PROFIBUS PA設備都使用了PNO PA配置文件的情況下，現場設備提供的數據是相似的，用戶還可輕松將通信協議從PROFIBUS PA轉換到PROFINET。

現場設備

為了使基于Hart協議運行的流程設備盡快適用于Ethernet-APL，設備制造商應考慮使用與通信相關的硬件和軟件組件并進行重新設計，而非開發全新的驅動。

傳統的硬件開發項目不僅需要公司自己實施和驗證所有Ethernet-APL接口方面（例如物理連接、電源和監控），還需花費時間去移植協議棧，并實現設備屬性（配置文件）以及具有動態行為的實際設備應用程序。以上這些任務完成之后，該設備還需進行各種符合性測試和認證，除了一般的EMC和環境測試外，還包括APL物理層的符合性測試，以及各種現場總線組織的Ex認證（根據需要）。過去的經驗表明，此類硬件開發會需要相當大的努力以及長達數年的鉆研時間。

但是，通過使用像Softing commModule APL這樣的緊湊型、預認證和可配置的電子模塊，則可省略或顯著減少上述的諸多任務，如圖4所示。

圖4 Softing commModule APL電子模塊

作為一種低成本的SMD硬件模塊，commModule APL不僅處理了所需的Ethernet-APL連接，而且還提供了可輕松配置的應用軟件，以實現各個現場設備所需的配置。為了實現這一點——無需編寫任何代碼即可將現有的Hart和Modbus設備遷移到Ethernet-APL，且這些設備以前的硬件通信端口現在將由模塊的UART引腳以數字化方式來提供，然后再使用配置工具為設備應用程序的現有Hart或Modbus命令定義所有必要的分配，并將它們永久上載到模塊上。commModule APL模塊的軟件在此配置的基礎上可自主處理與自動化協議的映射。該模塊還可為電子應用設備供電，并自動直接從Ethernet-APL連接中獲取其所需的能量。

使用commModule APL模塊還可大大簡化現場設備的硬件重新設計的流程，且對于設備制造商而言，commModule APL模塊所帶來的極大益處是，該模塊已通過了全面的標準認證和符合性測試，從而降低了開發風險，并為整個現場設備所需的相關認證提供了參考數據。

commModule APL模塊解決方案提供的另一個關鍵優勢是：它是其制造商產品組合中的一個標準產品，因此在維護該產品時，這些模塊可獨立適應相關協議規范的進一步發展，以及供應鏈問題，從而減輕了現場設備制造商的負擔。