方原柏

(昆明儀器儀表學(xué)會(huì)，云南 昆明 650228)

0 引言

中大型生產(chǎn)裝置出現(xiàn)后，生產(chǎn)過(guò)程要求集中顯示、集中操作，從而誕生了分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)等控制系統(tǒng)。在20世紀(jì)80年代以前，從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到的各類(lèi)信息均通過(guò)一對(duì)一的布線方式引到控制室。這不僅需安裝大量的電纜、橋架，耗費(fèi)時(shí)間和人力，而且傳送的信息單一(如溫度變送器僅能傳送溫度等)，傳送途中要經(jīng)多處轉(zhuǎn)接(如現(xiàn)場(chǎng)接線箱、配線柜、輸入/輸出(input/output，I/O)模件等)，存在潛在故障點(diǎn)多、查找困難的問(wèn)題。因此，眾多信息傳輸方式的改進(jìn)方案被先后提出，以提高信息傳輸效率、降低信息傳輸費(fèi)用。

本文首先回顧了多種信息傳輸方式的改進(jìn)方案，然后介紹了以太網(wǎng)高級(jí)物理層(Ethernet advanced physical layer，Ethernet-APL)引入控制系統(tǒng)的進(jìn)程、技術(shù)要點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，最后綜述了Ethernet-APL技術(shù)在控制系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展及展望。

1 通信技術(shù)概述

針對(duì)控制系統(tǒng)早期一對(duì)一的布線方式，先后出現(xiàn)了遠(yuǎn)程I/O、4～20 mA+可導(dǎo)址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer,HART)、現(xiàn)場(chǎng)總線和無(wú)線等解決方案。

1.1 遠(yuǎn)程I/O通信技術(shù)

在20世紀(jì)80年代中期，國(guó)外一些非主流控制系統(tǒng)的廠家研制出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如英國(guó)施倫伯杰(Schlumberger)公司1986年在中國(guó)市場(chǎng)上推出了被稱(chēng)為智能前端的數(shù)據(jù)采集器(isolated messurement pod,IMP)。IMP的每個(gè)智能前端可采集10～20個(gè)信號(hào)(信號(hào)類(lèi)別有電流輸入、電壓輸入、鉑電阻輸入、開(kāi)關(guān)量輸入等)。多塊IMP智能前端以并聯(lián)方式通過(guò)1根總長(zhǎng)可達(dá)1 500 m的雙芯雙絞S-網(wǎng)絡(luò)屏蔽電纜，將所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)傳送到控制室。這就是早期的遠(yuǎn)程I/O。 IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schmatic diagram of IMP data acquisition system

霍尼韋爾公司TDC-3000系統(tǒng)中的過(guò)程管理站(process managerg,PM)可以通過(guò)I/O接口處理器連接遠(yuǎn)程I/O。橫河公司的CENTUM-CS控制系統(tǒng)可以通過(guò)AIP221外部I/O接口主單元連接遠(yuǎn)程I/O。通常，遠(yuǎn)程I/O的輸出是以芯數(shù)非常少的專(zhuān)用電纜替代多芯電纜，所以遠(yuǎn)程I/O布線方式遠(yuǎn)比傳統(tǒng)布線方式簡(jiǎn)單。但這個(gè)時(shí)期的遠(yuǎn)程I/O廠家都采用自己的通信標(biāo)準(zhǔn)，通常不能跨系統(tǒng)使用。

1.2 4～20 mA+HART通信技術(shù)

HART協(xié)議是美國(guó)羅斯蒙特公司(Rosemount，現(xiàn)為艾默生過(guò)程管理公司的子公司)于1986年推出的1種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議是將調(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)傳送以外，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)。所以HART協(xié)議是4～20 mA模擬信號(hào)與數(shù)字通信相兼容的標(biāo)準(zhǔn)，是從模擬控制系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)渡的產(chǎn)品。

HART可以說(shuō)是近40多年來(lái)頗受業(yè)界信任的通信協(xié)議。但遺憾的是，大多數(shù)4～20 mA+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。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)總線Fieldbus技術(shù)于20世紀(jì)80年代末、90年代初開(kāi)發(fā)，是用于過(guò)程自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，接通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)與控制設(shè)備之間及與更高控制管理層次之間的聯(lián)系?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(Foundation Fieldbus，F(xiàn)F)儀表需通過(guò)H1網(wǎng)卡接入控制系統(tǒng)。PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線儀表需通過(guò)DP/PA耦合器與PROFIBUS-DP總線連接，再接入控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線不僅是1個(gè)底層網(wǎng)絡(luò)，還是1種開(kāi)放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。但現(xiàn)場(chǎng)總線的成本高、速率低、支持應(yīng)用有限等缺陷，再加上無(wú)法統(tǒng)一的數(shù)十個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)、不同總線標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的互聯(lián)復(fù)雜，使現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展受到一定限制。

1.4 無(wú)線通信技術(shù)

作為無(wú)需布線的通信方式，無(wú)線通信技術(shù)具有節(jié)省電纜、簡(jiǎn)化安裝、提高信息可用性的優(yōu)點(diǎn)。但受電源能量制約，刷新率低限制了無(wú)線通信在控制回路等場(chǎng)合的應(yīng)用；功率低限制了無(wú)線通信參數(shù)檢測(cè)的應(yīng)用。所以無(wú)線通信技術(shù)只是對(duì)4～20 mA+HART、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的補(bǔ)充。

1.5 以太網(wǎng)通信技術(shù)

以太網(wǎng)是世界上普遍應(yīng)用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。交換式以太網(wǎng)的核心是1個(gè)交換機(jī)，包含1塊連接多個(gè)端口的高速背板。每個(gè)端口都有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)連接器，用于連接雙絞電纜。通過(guò)簡(jiǎn)單的插入或者拔出電纜就能完成添加或者刪除1臺(tái)設(shè)備，且端口及電纜的故障通常只影響到1臺(tái)設(shè)備。因此，大多數(shù)故障都很容易被發(fā)現(xiàn)。

以往以太網(wǎng)技術(shù)僅在工廠自動(dòng)化金字塔的更高層次上使用，而很少應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)層次上。創(chuàng)新的Ethernet-APL技術(shù)基于2019年11月7日批準(zhǔn)的10BASE-T1L(IEEE 802.3cg-2019)以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)提供了到現(xiàn)場(chǎng)的單根雙芯電纜的以太網(wǎng)連接，主要用于將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(傳感器和執(zhí)行器)連接到控制網(wǎng)絡(luò)。而IEC TS60079-47關(guān)于雙線本質(zhì)安全以太網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范，規(guī)定了Ethernet-APL在危險(xiǎn)場(chǎng)所實(shí)施的防爆方法。

Ethernet-APL直接促成了跨行業(yè)的信息技術(shù)(information technolgy,IT)/運(yùn)營(yíng)技術(shù)(operation technology,OT)的網(wǎng)絡(luò)融合。Ethernet-APL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在集成了Ethernet-APL的設(shè)備上自由實(shí)施多種協(xié)議的功能，使從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)到云端的信息傳輸量增加、速度提升。

以太網(wǎng)連線電纜默認(rèn)設(shè)置8根線(如千兆網(wǎng))，但傳輸速率達(dá)10 MB/s的以太網(wǎng)實(shí)際上只會(huì)用到其中的4根線。而Ethernet-APL只用2根線就可以了，所以其被稱(chēng)為“兩線以太網(wǎng)”[1]。

信息傳輸方式的比較如表1所示。

表1 信息傳輸方式的比較

2 Ethernet-APL的開(kāi)發(fā)進(jìn)程

2.1 支持單位

早在2015年，幾個(gè)廠商曾展示了過(guò)程工廠Ethernet-APL技術(shù)架構(gòu)的概念。2018年，主要流程工業(yè)供應(yīng)商簽署了1項(xiàng)開(kāi)發(fā)Ethernet-APL技術(shù)的協(xié)議(即“APL項(xiàng)目”)。這項(xiàng)工作得到了領(lǐng)先的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)組織(Standards Development Organization,SDO)國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)通信集團(tuán)、開(kāi)放設(shè)備網(wǎng)路供應(yīng)商協(xié)會(huì)(Open Device Net Vender Association,ODVA)、對(duì)象鏈接與嵌入的過(guò)程控制(object linking and embedding for process,OPC)基金會(huì)和PROFIBUS及PROFINET國(guó)際組織等機(jī)構(gòu)的支持，同時(shí)也得到ABB、艾默生、E+H、科隆、菲尼克斯電氣、羅克韋爾、倍加福、薩姆森、西門(mén)子、斯塔爾、威格和橫河這12家自動(dòng)化廠商的支持[2]。這12家自動(dòng)化廠商中除了一些知名的控制系統(tǒng)和儀器儀表廠商以外，還有幾個(gè)是以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備見(jiàn)長(zhǎng)的制造商，如斯塔爾、倍加福。

2.2 NAMUR建議

國(guó)際過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化用戶協(xié)會(huì)(NAMUR)收到“APL項(xiàng)目”關(guān)于過(guò)程自動(dòng)化的以太網(wǎng)解決方案的討論稿后，于2018年11月22日制定了“NAMUR NE168現(xiàn)場(chǎng)級(jí)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的要求”建議。建議涵蓋了基于以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的所有方面(如物理層、協(xié)議等)以及作為此類(lèi)系統(tǒng)一部分的所有組件和設(shè)備(如DCS、SIS、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等)，重點(diǎn)關(guān)注流程工業(yè)的經(jīng)典現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這包括模擬信號(hào)(如壓力、溫度、液位、流量、閥門(mén)定位器等)以及二進(jìn)制信號(hào)(如觸點(diǎn)、限位開(kāi)關(guān)、電磁閥等)。在現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)以及流程工業(yè)具體要求的基礎(chǔ)上，建議要求制造商為流程工業(yè)開(kāi)發(fā)1種易于使用的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)。為了避免終端用戶當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線面臨的一些問(wèn)題，擴(kuò)大最終用戶對(duì)Ethernet-APL技術(shù)的接受度是關(guān)鍵[3-4]。“APL項(xiàng)目”重視并采納建議中列出的上述要求，從而為進(jìn)一步的工作奠定了基礎(chǔ)。

2.3 與標(biāo)準(zhǔn)化組織合作

“APL項(xiàng)目”在早期階段與電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)標(biāo)準(zhǔn)化組織合作，由標(biāo)準(zhǔn)化組織指定1個(gè)單獨(dú)的物理層，開(kāi)發(fā)1種無(wú)縫融入標(biāo)準(zhǔn)化以太網(wǎng)的解決方案，以滿足流程自動(dòng)化的要求。2019年11月，10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019技術(shù)方案獲得批準(zhǔn)后，Ethernet-APL采用了嵌入IEEE 802.3cg-2019系列的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。該方案實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展。另外1項(xiàng)合作是“APL項(xiàng)目”采用雙線本質(zhì)安全以太網(wǎng)2-WISE解決方案。該方案列入了IEC TS60079-47技術(shù)規(guī)范。這是爆炸性環(huán)境的第47部分。2-WISE用于雙線本質(zhì)安全以太網(wǎng)保護(hù)設(shè)備的概念，確保了不再需要在防爆區(qū)域進(jìn)行廣泛的驗(yàn)證工作[3-4]。

2.4 產(chǎn)品測(cè)試

目前，位于德國(guó)路德維希港的巴斯夫化工廠仍然使用傳統(tǒng)的4～20 mA模擬技術(shù)。在數(shù)字化過(guò)程中，化工廠工作人員越來(lái)越明顯地感覺(jué)到，利用模擬技術(shù)無(wú)法獲得更多信息，尤其是來(lái)自設(shè)備的診斷信息。而隨著化工廠安全裝置的數(shù)量不斷增加，與安全相關(guān)的要求和約束越來(lái)越多。所以化工廠希望數(shù)字化解決方案提供更多來(lái)自設(shè)備的診斷信息，使生產(chǎn)管理具有更高的靈活性。在第一次實(shí)踐評(píng)估中，巴斯夫化工廠的Ethernet-APL實(shí)驗(yàn)室安裝了來(lái)自不同制造商的Ethernet-APL技術(shù)產(chǎn)品和不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了幾個(gè)月的測(cè)試。通過(guò)測(cè)試，確認(rèn)了Ethernet-APL技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：安裝簡(jiǎn)單靈活；與DCS的集成簡(jiǎn)單；與以太網(wǎng)通信穩(wěn)定快速；流程的可用性高；設(shè)備轉(zhuǎn)換即插即用；可從過(guò)程控制系統(tǒng)并行的第二通道智能儀表中提取數(shù)據(jù)[3-5]。

2.5 Ethernet-APL技術(shù)正式發(fā)布

2021年6月，“APL項(xiàng)目”負(fù)責(zé)人發(fā)布聲明，正式推出Ethernet-APL并發(fā)布技術(shù)規(guī)格、工程指南和一致性測(cè)試計(jì)劃。最終用戶可以從供應(yīng)商處獲得第一批產(chǎn)品，如倍加福公司Ethernet-APL技術(shù)的24點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)[6]和ABB公司基于OPC UA的APL激光液位變送器[7]。

3 Ethernet-APL技術(shù)

3.1 以太網(wǎng)的協(xié)議棧

工業(yè)4.0要求企業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)涉及的各類(lèi)儀表信號(hào)的帶寬窄、傳輸速率低、多重協(xié)議轉(zhuǎn)換困難等問(wèn)題，其在支持企業(yè)數(shù)字化方面的功能受到限制。以太網(wǎng)目前僅在工廠自動(dòng)化的管理層使用，而很少應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)層。而Ethernet-APL所要做的就是將以太網(wǎng)協(xié)議延伸到現(xiàn)場(chǎng)。與許多其他協(xié)議一樣，以太網(wǎng)通信協(xié)議使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization,ISO)/開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)(open system interconnection,OSI)模型協(xié)議棧的分層方法[5]。以太網(wǎng)的ISO/OSI協(xié)議棧如圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)的ISO/OSI協(xié)議棧Fig.2 ISO/OSI protocol stack of Ethernet

分層方法允許更改協(xié)議棧部分，而保留其他部分。在圖2中，物理層是最底層。物理層指定了傳輸介質(zhì)、數(shù)據(jù)速率和連接器。物理層可以使用不同的形式，例如快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)等。而Ethernet-APL是眾多物理層之一，能滿足自動(dòng)化領(lǐng)域的特殊需求。Ethernet-APL又可以與其他物理層并行使用，并且不會(huì)影響協(xié)議棧上面各層。

“APL項(xiàng)目”的主要目標(biāo)之一是開(kāi)發(fā)1種無(wú)縫融入標(biāo)準(zhǔn)化以太網(wǎng)的解決方案。2019年底，10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019技術(shù)方案獲得批準(zhǔn)后，Ethernet-APL采用了基于該方案的以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，可以支持各種高階以太網(wǎng)通信協(xié)議。Ethernet-APL通過(guò)對(duì)物理層進(jìn)行調(diào)整，滿足了過(guò)程相關(guān)工廠可靠運(yùn)行的要求，并制定了以太網(wǎng)通信在過(guò)程工業(yè)傳感器和執(zhí)行器上的應(yīng)用細(xì)節(jié)(如規(guī)定了在危險(xiǎn)場(chǎng)所使用的實(shí)施方法)。這使得在危險(xiǎn)過(guò)程自動(dòng)化設(shè)施中部署高速、支持以太網(wǎng)的儀表設(shè)備方面又邁出了一大步。

3.2 Ethernet-APL的體系結(jié)構(gòu)

Ethernet-APL用于過(guò)程自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)。Ethernet-APL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Ethernet-APL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Ethernet-APL topology structure

位于云端的企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)和提供信息的過(guò)程控制系統(tǒng)(通常為PLC或DCS)仍為企業(yè)常見(jiàn)的系統(tǒng)，只是在向控制系統(tǒng)提供與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系信息時(shí)增加了作為Ethernet-APL設(shè)備的高級(jí)物理層(advanced physical layer,APL)電源交換機(jī)和APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)。APL電源交換機(jī)向上通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與控制系統(tǒng)相連，向下通過(guò)APL主干線(Trunk)與多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)相連并提供電源。而主干線每段的長(zhǎng)度為1 000 m，并可以通過(guò)電纜連接器進(jìn)行多次擴(kuò)展。APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)有多個(gè)端口。每個(gè)端口可通過(guò)APL支線(Spur)連接APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。支線長(zhǎng)度為200 m。APL支線已通過(guò)本質(zhì)安全性驗(yàn)證，可用于Ex ia或Ex ic等有防爆要求的區(qū)域，如Zone2/Div.2、Zone1/Div.1、Zone0/Div.1。主干線、支線均可沿同一兩線電纜同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和電源。APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、定位器等)帶Ethernet-APL接口，支持Ethernet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或其他更高級(jí)別協(xié)議。APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可通過(guò)支線連接到APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的端口上，從而實(shí)現(xiàn)Ethernet-APL通信[5]。

4 Ethernet-APL技術(shù)優(yōu)勢(shì)

Ethernet-APL的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括高通信速率、現(xiàn)場(chǎng)儀表大功率供電、長(zhǎng)距離布線和危險(xiǎn)區(qū)域安裝等。

4.1 高通信速率

通信速率與帶寬相關(guān)。帶寬代表通信線路所能傳送數(shù)據(jù)的能力。4～20 mA+HART的帶寬為1.2 kbit/s，現(xiàn)場(chǎng)總線的帶寬為31.25 kbit/s。Ethernet-APL技術(shù)采用的10BASE-T1L以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)為10 kbit/s[8]。Ethernet-APL的帶寬約為4～20 mA+HART的8 000多倍、現(xiàn)場(chǎng)總線的300多倍，屬于高速數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)勢(shì)非常明顯。這相當(dāng)于將信息傳輸高速通道延伸至現(xiàn)場(chǎng)儀表。這也意味著在Ethernet-APL網(wǎng)絡(luò)可以承載更多的數(shù)據(jù)、容納更多的設(shè)備、支持具有更高帶寬要求的其他類(lèi)型的設(shè)備。以4～20 mA+HART設(shè)備為例，在1.2 kbit/s速率下，如果每臺(tái)設(shè)備調(diào)試需要5 min，則調(diào)試完500臺(tái)設(shè)備需要2 500 min或41 h。而采用Ethernet-APL技術(shù)能以10 Mbit/s的速率在30 s內(nèi)調(diào)試完500臺(tái)設(shè)備。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表大功率供電

Ethernet-APL技術(shù)采用兩芯電纜，既傳送信息又為現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備供電。這與4～20 mA儀表(包括4～20 mA+HART的智能儀表)、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表是一致的。4～20 mA系統(tǒng)提供的功率約為36 mW?，F(xiàn)場(chǎng)總線的功率極其有限。無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)儀表由鋰電池供電，更是功率受限。而Ethernet-APL在防爆應(yīng)用中能夠?yàn)槎噙_(dá)50個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。每個(gè)設(shè)備的功率高達(dá)500 mW，在非防爆應(yīng)用中能提供60 W的功率。這大大提升了設(shè)備功率，意味著更多設(shè)備、更多功能能夠得以啟用?？捎霉β实南拗埔恢笔乾F(xiàn)場(chǎng)儀表多種應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的掣肘。如在ISA100.11a的無(wú)線變送器中，無(wú)線機(jī)械振動(dòng)變送器、無(wú)線視頻傳送等對(duì)傳送信息量要求較高的設(shè)備就不適宜采用ISA100.11a無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳送，而需要通過(guò)回傳網(wǎng)絡(luò)的Wi-Fi協(xié)議傳送。而諸如科里奧利流量計(jì)、pH變送器、雷達(dá)液位計(jì)等儀表有更多的數(shù)據(jù)信息需要共享，維護(hù)和數(shù)據(jù)分析等更高級(jí)別的功能也需要這些數(shù)據(jù)信息。這些都需要通過(guò)Ethernet-APL技術(shù)，以提升測(cè)量的性能、增強(qiáng)數(shù)據(jù)分析處理的能力。APL現(xiàn)場(chǎng)儀表的采樣時(shí)間在10～2 000 ms之間，與目前無(wú)線技術(shù)指標(biāo)500 ms～60 min相比提高了近2個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至達(dá)到了快速開(kāi)關(guān)量采樣時(shí)間的要求。

4.3 長(zhǎng)距離布線

目前，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在數(shù)百米這個(gè)數(shù)量級(jí)。Ethernet-APL技術(shù)可將主干線之間每段通信距離拉長(zhǎng)到1 000 m、連接每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的支線距離拉長(zhǎng)到200 m，從而將現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的物理距離延長(zhǎng)到1 000 m甚至更遠(yuǎn)。Ethernet-APL技術(shù)的10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有定義特定的傳輸介質(zhì)(電纜)，而是定義了信道模型，并提出回波損耗和插入損耗要求。該信道模型與目前已用于PROFIBUS-PA和FF的A型電纜非常匹配。因此，當(dāng)由現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)換成Ethernet-APL時(shí)，原有的A型電纜可以重復(fù)使用。與更復(fù)雜的電纜相比，單根雙絞線電纜成本更低、尺寸更小并且更易于安裝。

4.4 危險(xiǎn)區(qū)域安裝

Ethernet-APL支持2種電壓峰值模式，分別是1 000 m線纜的2.4 V峰值和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。HART-IP和Profinet，以及Ethernet/IP和其他工業(yè)以太網(wǎng)變體，都不被允許在危險(xiǎn)區(qū)域使用。而目前支持上述工業(yè)以太網(wǎng)變體的Ethernet-APL設(shè)備都可以進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

5 Ethernet-APL技術(shù)應(yīng)用發(fā)展及展望

Ethernet-APL技術(shù)是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)組織和供應(yīng)商之間高水平合作的產(chǎn)物。Ethernet-APL面向過(guò)程自動(dòng)化，是未來(lái)工控領(lǐng)域的底層通信基礎(chǔ)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注和認(rèn)可，符合未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，在以太網(wǎng)上運(yùn)行的任何協(xié)議都可以通過(guò)Ethernet-APL使用。這包括HART-IP、OPC UA、Profinet、Ethernet/IP和其他通常被排除在危險(xiǎn)區(qū)域之外的工業(yè)以太網(wǎng)變體。Ethernet-APL可以為用戶在性能、安全和靈活方面提供更多支持。由于目前大多數(shù)控制系統(tǒng)支持HART-IP、OPC UA、Profinet和Ethernet/IP，采用Ethernet-APL與這些協(xié)議配合使用將非常簡(jiǎn)單。

由于直接消除了網(wǎng)關(guān)或其他協(xié)議轉(zhuǎn)換器，再加上控制系統(tǒng)的I/O離開(kāi)控制室下沉到現(xiàn)場(chǎng)，采用光纖以太網(wǎng)傳輸節(jié)省了大量的銅電纜。與傳統(tǒng)的4～20 mA+HART、現(xiàn)場(chǎng)總線等解決方案相比，Ethernet-APL將大大降低復(fù)雜性和成本，并提高可用性和穩(wěn)健性。

盡管Ethernet-APL技術(shù)2021年才正式發(fā)布，但已經(jīng)有一些大型企業(yè)準(zhǔn)備采用。如計(jì)劃于2025年建成的巴斯夫湛江一體化項(xiàng)目。該項(xiàng)目包括年產(chǎn)100萬(wàn)噸乙烯裝置(含蒸汽裂解裝置、裂解汽油加氫裝置、芳烴抽提裝置)、66/90 萬(wàn)噸/年的環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置以及數(shù)個(gè)面向消費(fèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品和解決方案生產(chǎn)裝置。由于巴斯夫已經(jīng)于數(shù)年前在德國(guó)路德維希港的巴斯夫化工廠進(jìn)行過(guò)Ethernet-APL的產(chǎn)品測(cè)試，所以巴斯夫湛江一體化項(xiàng)目選用的方案是DCS+APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)。項(xiàng)目要求現(xiàn)場(chǎng)儀表必須是Profibus-PA協(xié)議的智能儀表，PA儀表接入APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，再通過(guò)冗余環(huán)網(wǎng)和Profinet協(xié)議接入機(jī)柜室交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)。此外，APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)應(yīng)留有未來(lái)升級(jí)到APL儀表設(shè)備的預(yù)留接口。

國(guó)內(nèi)的中控技術(shù)股份有限公司在20世紀(jì)初制定基于工廠自動(dòng)化的以太網(wǎng)(Ethernet for plant automation,EPA)現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中就采用了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，在2021年又開(kāi)始布局Ethernet-APL技術(shù)。在中控Ethernet-APL產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的引領(lǐng)下，中控現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)了和即將開(kāi)發(fā)多類(lèi)Ethernet-APL技術(shù)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品包括：APL壓力變送器；APL溫度變送器；12點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，可接收無(wú)線信號(hào)、Profibus-PA、常規(guī)儀表、開(kāi)關(guān)量信號(hào)和冗余配置；8口、16口的電源交換機(jī)；1對(duì)1的電源交換機(jī)。有了國(guó)內(nèi)廠家提供Ethernet-APL技術(shù)及其產(chǎn)品，我國(guó)Ethernet-APL產(chǎn)品的推出和應(yīng)用是有可能進(jìn)入世界先進(jìn)行列的。

6 結(jié)論

Ethernet-APL技術(shù)的概念于2015年提出。2018年，主要流程工業(yè)供應(yīng)商簽署了開(kāi)發(fā)Ethernet-APL技術(shù)協(xié)議的“APL項(xiàng)目”。2021年Ethernet-APL技術(shù)才正式推出并發(fā)布規(guī)格、工程指南和一致性測(cè)試計(jì)劃。2022年，多個(gè)廠家將推出完整的系列產(chǎn)品，一些應(yīng)用試點(diǎn)已經(jīng)或即將投入運(yùn)行。目前，相關(guān)單位正在制定下一代儀表的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其物理層就是Ethernet-APL，并將給出支持不同總線協(xié)議的定義。

總之，Ethernet-APL對(duì)自動(dòng)化行業(yè)目前占主流地位的4～20 mA+HART、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)，是一項(xiàng)頗具潛力的新技術(shù)。Ethernet-APL技術(shù)的應(yīng)用前景是非常值得期待的。