Ethernet-APL兩線以太網(wǎng)技術(shù)介紹

方原柏

(昆明儀器儀表學(xué)會(huì)，云南 昆明 650228)

以太網(wǎng)是辦公環(huán)境中的主流通信技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)兼容，但實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用在適用性、實(shí)時(shí)性、交互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面又不相同，能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)是： 應(yīng)用廣泛、通信速率快、資源共享能力強(qiáng)、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ?。但以往在控制領(lǐng)域，工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用局限在頂層，能否將其向下延伸到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層呢？

基于該設(shè)想，2018年，主要流程工業(yè)供應(yīng)商簽署了一項(xiàng)開(kāi)發(fā)以太網(wǎng)高級(jí)物理層技術(shù)Ethernet-APL(ethernet-advanced physical layer)的協(xié)議，稱為“APL項(xiàng)目”。該項(xiàng)目得到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)組織FieldComm Group，ODVA，OPC Foundation，PROFIBUS&和PROFINET International等機(jī)構(gòu)的支持。主要合作的自動(dòng)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(xiàng)目”運(yùn)作期間，以太網(wǎng)新的物理層10BASE-T1L的IEEE802.3cg： 2019 IEEEstandardforethernetamendment5：physicallayerspecificationsandmanagementparametersfor10 Mb/soperationandassociatedpowerdeliveryoverasinglebalancedpairofconductors技術(shù)方案獲得批準(zhǔn)，這是一個(gè)單獨(dú)的物理層標(biāo)準(zhǔn)，可滿足流程自動(dòng)化的要求[2]，Ethernet-APL技術(shù)采用了嵌入IEEE802.3cg： 2019系列的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，可以完成從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到控制系統(tǒng)級(jí)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(zhì)安全以太網(wǎng)保護(hù)設(shè)備概念。由此，用戶得到一個(gè)單一的以太網(wǎng)物理層，它可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離電纜傳輸、本質(zhì)安全應(yīng)用[3]。

2021年6月，正式推出Ethernet-APL技術(shù)并頒布規(guī)格、工程指南和一致性測(cè)試計(jì)劃。從2019年開(kāi)始，支持“APL項(xiàng)目”的廠家在一些展會(huì)上展示了為Ethernet-APL技術(shù)提供10BASE-T1L所需的芯片及支持Ethernet-APL技術(shù)的交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的原型產(chǎn)品。

與此同時(shí)，作為實(shí)踐評(píng)估項(xiàng)目，2019年在德國(guó)路德維希港的巴斯夫公司的測(cè)試設(shè)置中，安裝了來(lái)自不同制造商的Ethernet-APL技術(shù)原型產(chǎn)品，并向過(guò)程控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)[4]。在美國(guó)俄亥俄州西切斯特寶潔公司CET實(shí)驗(yàn)室智能過(guò)程單元的Ethernet-APL演示裝置上，安裝了支持Ethernet-APL技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、液位變送器、壓力變送器，溫度變送器等設(shè)備。寶潔公司對(duì)演示結(jié)果感到滿意，認(rèn)為Ethernet-APL技術(shù)能夠訪問(wèn)多變量信息和診斷信息，具有如同它宣傳的那些優(yōu)點(diǎn)。而在幾年前，寶潔公司也做了一個(gè)類似的演示項(xiàng)目來(lái)評(píng)估基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，但得出的結(jié)論是，它不適合該公司的工藝過(guò)程[5]。

1 Ethernet-APL技術(shù)

1.1 Ethernet-APL技術(shù)簡(jiǎn)介

Ethernet-APL用于過(guò)程自動(dòng)化的新體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，APL電源交換機(jī)往上層可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接控制系統(tǒng)或云應(yīng)用，往下層可以連接多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，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(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可分組通過(guò)APL支線與多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的端口連接[6]。在這里，Ethernet-APL技術(shù)延續(xù)了現(xiàn)場(chǎng)總線安裝中常見(jiàn)的主干線和支線技術(shù)。

電源交換機(jī)通常由外部供電，以便為網(wǎng)絡(luò)提供能量，電源交換機(jī)將電源和通信饋送到一個(gè)或多個(gè)主干線端口，它負(fù)責(zé)四線以太網(wǎng)到兩線以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)可以通過(guò)主干線供電或外部供電，現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)上可提供多個(gè)連接支線的端口，比如PEPPERL+TUCHS目前提供的APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的端口數(shù)量有8，16，24個(gè)，據(jù)稱最多可以做到50個(gè)端口。

圖1 Ethernet-APL的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是指帶Ethernet-APL接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(jí)別自動(dòng)化協(xié)議。

1.2 Ethernet-APL系統(tǒng)的可能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的具體需求，Ethernet-APL系統(tǒng)可能有多種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]，現(xiàn)介紹其中的三類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)直接連接

現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)直接連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)直接將APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)連接到控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)，在該情況下，不需要電源交換機(jī)，但APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)需要由輔助電源供電?？刂凭W(wǎng)絡(luò)可通過(guò)光纖路由至APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，也可通過(guò)銅纜，但有長(zhǎng)度限制。

現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)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(chǎng)交換機(jī)之間的主干線的長(zhǎng)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(chǎng)交換機(jī)與APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的支線長(zhǎng)度，限制在200 m以內(nèi)。APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接數(shù)量取決于APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的端口數(shù)量，用戶可根據(jù)APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接數(shù)量選擇APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)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(dāng)APL主干線不帶電源時(shí)，APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)需要由輔助電源供電。在該情況下，APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)需通過(guò)APL電源交換機(jī)連接到控制網(wǎng)絡(luò)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)直接連接示意

APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與APL電源交換機(jī)之間或APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與另一臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)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(dāng)APL主干線帶電源時(shí)，APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)需通過(guò)APL電源交換機(jī)連接到控制網(wǎng)絡(luò)。APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與APL電源交換機(jī)之間或APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與另一臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的連接主干線的最大距離為1 km。對(duì)于供電APL主干線，電源交換機(jī)與線路上最遠(yuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)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(zhǎng)度。由于APL主干線帶電源，APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)不需要由輔助電源供電。

Ethernet-APL系統(tǒng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)見(jiàn)表1所列。

表1 Ethernet-APL系統(tǒng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2 圖例符號(hào)

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

3 Ethernet-APL技術(shù)的看點(diǎn)

就自動(dòng)化行業(yè)信息傳輸方式來(lái)說(shuō)，從4～20 mA開(kāi)始，先后推出過(guò)HART、現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線等先進(jìn)技術(shù)。HART技術(shù)是40多年來(lái)業(yè)界廣受信任的通信協(xié)議，它將調(diào)制后的正弦信號(hào)疊加在4～20 mA的模擬信號(hào)上，增加了數(shù)字通信，除了主要變量采用4～20 mA模擬信號(hào)傳送外，其他有關(guān)測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷等信息可通過(guò)HART協(xié)議訪問(wèn)。但遺憾的是，大多數(shù)HART設(shè)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(chǎng)總線技術(shù)作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)與控制設(shè)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(gè)底層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開(kāi)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(duì)適合新建工程項(xiàng)目等缺陷，再加上數(shù)十個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)、不同現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品互聯(lián)困難，以及總線技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，安裝、維護(hù)人員需要大量培訓(xùn)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(luò)有限公司的調(diào)查顯示： 2018年現(xiàn)場(chǎng)總線新節(jié)點(diǎn)數(shù)量增長(zhǎng)了6%，但2019年則下降了5%[8]。

表2 Ethernet-APL的部件符號(hào)(部分)

無(wú)線通信方式具有節(jié)省電纜、簡(jiǎn)化安裝、提高信息的可用性等優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)合的應(yīng)用，功率低限制了某些參數(shù)檢測(cè)的應(yīng)用。所以它只是對(duì)HART、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的補(bǔ)充。

而Ethernet-APL技術(shù)通過(guò)創(chuàng)建新的物理層解決方案，以滿足相關(guān)工藝過(guò)程可靠運(yùn)行所需的要求。該技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1)功率更大。Ethernet-APL技術(shù)采用兩線以太網(wǎng)向APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同時(shí)提供通信與供電的功能，這一點(diǎn)與兩線制變送器類似。但兩線制變送器(包括4～20 mA信號(hào)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(shí)仍然能正常工作，像一般的壓力、溫度、液位變送器還能應(yīng)付，而電磁流量計(jì)和科里奧利流量計(jì)則往往要采用單獨(dú)供電的四線制變送器；現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線設(shè)備依靠鋰電池供電，功率更是受限。而Ethernet-APL可以為非防爆應(yīng)用提供60 W的功率，為防爆應(yīng)用提供500 mW的功率，這大約是HART設(shè)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(jiǎn)化安裝。但即使是現(xiàn)在已經(jīng)采用兩線供電的設(shè)備，也可以從Ethernet-APL提供的更大功率中受益，因?yàn)楦蟮墓β室馕吨鼜?qiáng)大的微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)更高級(jí)的信號(hào)處理。這有利于某些類型的測(cè)量，例如基于雷達(dá)和超聲波的測(cè)量，通過(guò)更好的信號(hào)處理，這些測(cè)量變得更加準(zhǔn)確和穩(wěn)健。同時(shí)更大的功率也意味著這些測(cè)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(duì)HART、現(xiàn)場(chǎng)總線以及Ethernet-APL技術(shù)的10BASE-T1L通信的數(shù)據(jù)帶寬做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，HART的帶寬是1.2 Kibit/s ，現(xiàn)場(chǎng)總線的帶寬以FF現(xiàn)場(chǎng)總線低速H1卡為例是31.25 Kibit/s，Ethernet-APL技術(shù)10BASE-T1L帶寬是10 Mibit/s，這相當(dāng)于是HART的8 000多倍、FF現(xiàn)場(chǎng)總線低速H1卡的300多倍[9]。這意味著在Ethernet-APL網(wǎng)絡(luò)上可以承載更多的數(shù)據(jù)，能夠容納更多的設(shè)備，能夠支持具有更高帶寬要求的其他類型的設(shè)備。

3)布線更簡(jiǎn)單。Ethernet-APL技術(shù)的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)定義了信道模型，該模型非常適合現(xiàn)場(chǎng)總線電纜，因此，某些已安裝現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的電纜有可能在轉(zhuǎn)換成Ethernet-APL設(shè)備時(shí)重復(fù)使用。與更復(fù)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(zhǎng)。迄今為止，過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用中的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的物理距離一般限制為100 m，而在過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用中有很多是100 m～1 km的距離，Ethernet-APL技術(shù)可將通信距離拉長(zhǎng)到1 km甚至更遠(yuǎn)，并以極低的功耗和極高的可靠性與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。

5)可用于防爆區(qū)域。Ethernet-APL技術(shù)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(shù)滿足了嚴(yán)格的最大能量限制，所以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠在防爆區(qū)域中安裝使用。還有一個(gè)特點(diǎn)是無(wú)論是在防爆區(qū)域還是在非防爆區(qū)域，Ethernet-APL技術(shù)采用的是同樣的設(shè)備——如同樣的APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、同樣的APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

Ethernet-APL技術(shù)的引入是一個(gè)重要的技術(shù)里程碑，由于它基于以太網(wǎng)，有望統(tǒng)一并大幅簡(jiǎn)化未來(lái)的控制和信息體系結(jié)構(gòu)，為流程工業(yè)提供了一個(gè)新的高性能數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)通信范例。而高帶寬和大功率的特點(diǎn)，有望造就新一代功能更強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。Ethernet-APL技術(shù)2021年才正式發(fā)布，包括產(chǎn)品性能、市場(chǎng)價(jià)格、用戶接受程度及全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)都存在許多不確定的因素。但它畢竟對(duì)自動(dòng)化行業(yè)目前占主流地位的HART、現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成挑戰(zhàn)，是一項(xiàng)頗具潛力的新技術(shù)。中國(guó)早在20年前就首先將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)用于過(guò)程控制，筆者相信，在開(kāi)發(fā)Ethernet-APL技術(shù)產(chǎn)品、擴(kuò)大Ethernet-APL技術(shù)應(yīng)用方面，中國(guó)不會(huì)落后的。