談?wù)凟thernet-APL -它或許是過程自動(dòng)化的未來

01開篇的話在搜索網(wǎng)站上，輸入“Ethernet-APL”，截止2022年7月份，在百度上可找到的搜索結(jié)果555000，在微軟網(wǎng)站上可找到的搜索結(jié)果更是達(dá)到驚人的1520

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000條結(jié)果，即15億條結(jié)果。找?guī)讞l看看，醒目的標(biāo)題是：“走進(jìn)過程現(xiàn)場(chǎng)的Ethernet-APL”、“Ethernet-APL支持云端連接的無縫過程自動(dòng)化設(shè)備過渡”、“為什么以太網(wǎng)APL對(duì)我們來說如此重要”、“Ethernet-APL：您為新的做事方式做好準(zhǔn)備了嗎?”。而為博人眼球，一些標(biāo)題更為夸張：“Ethernet-APL：要革4-20mA、HART和現(xiàn)場(chǎng)總線的命?”、“Ethernet-APL：新的山王？”既然前面有個(gè)“Ethernet”，我們搞工控的朋友都知道，那不是以太網(wǎng)嗎？我熟，我們常用，但是APL是什么東東？把Ethernet和APL兩個(gè)加在一起的Ethernet-APL又是什么東東？02

說說Ethernet-APL2.1什么是Ethernet-APL？Ethernet（以太網(wǎng)）是專門為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備之間的低延遲和實(shí)時(shí)通信而開發(fā)的，據(jù)說Ethernet中“ether”的含義代表了相互間平等的信息交換。Ethernet是世界上應(yīng)用最普遍的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，但以往僅在工廠自動(dòng)化金字塔的更高層次上使用，而很少用在現(xiàn)場(chǎng)層次上。這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)連線電纜默認(rèn)設(shè)置是八根線，連線長(zhǎng)度短（不超過100m）、不防爆，無法應(yīng)用到生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)。于是一個(gè)天才的設(shè)想就誕生了：將Ethernet延伸到生產(chǎn)過程的現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)新的Ethernet物理層，讓其滿足兩線、連線長(zhǎng)度長(zhǎng)、防爆、數(shù)據(jù)和供電同時(shí)傳輸和另外一些附加要求，使之成為用于過程自動(dòng)化的基于高速以太網(wǎng)的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)到云端以太網(wǎng)的無縫融合。2018年，主要流程工業(yè)供應(yīng)商按此設(shè)想簽署了一項(xiàng)開發(fā)Ethernet-APL技術(shù)的協(xié)議，稱為“APL項(xiàng)目”，“APL項(xiàng)目”組在早期階段與IEEE電氣和電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化組織合作，由標(biāo)準(zhǔn)化組織指定一個(gè)單獨(dú)的物理層10BASE-T1L，它可以無縫融入標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，以滿足流程自動(dòng)化的要求。2019年11月，10BASE-T1L的IEEE802.3cg-2019標(biāo)準(zhǔn)獲得批準(zhǔn)后，“APL項(xiàng)目”組就將IEEE802.3cg-2019系列的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案嵌入到Ethernet-APL技術(shù)中，以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展。APL（AdvancedPhysicalLayer）的意思是高級(jí)物理層，它作為以太網(wǎng)的物理層，可以支持各種高階以太網(wǎng)通信協(xié)議，滿足過程裝置可靠運(yùn)行的要求，并規(guī)定了以太網(wǎng)通信在流程工業(yè)變送器和執(zhí)行器上的應(yīng)用細(xì)節(jié)，如規(guī)定了連接線長(zhǎng)度、在危險(xiǎn)場(chǎng)所使用的實(shí)施方法等，使得過程自動(dòng)化設(shè)施可以在危險(xiǎn)區(qū)域部署并支持高速應(yīng)用。2.2Ethernet-APL技術(shù)是由哪些組織和公司開發(fā)的？開發(fā)Ethernet-APL技術(shù)的機(jī)構(gòu)是4個(gè)組織，并得到12家公司的支持。4個(gè)組織是FieldCommGroup、Profibus&ProfinetInternational(PI)、ODVA和OPCFoundation，據(jù)介紹，前三家分別是由自動(dòng)化行業(yè)的巨頭艾默生、西門子、羅克韋爾領(lǐng)銜的。12家公司是ABB、艾默生、E+H、科隆、菲尼克斯電氣、羅克韋爾、倍加福、薩姆森、西門子、斯塔爾、威格和橫河，這12家自動(dòng)化廠商中除了一些知名的控制系統(tǒng)和儀器儀表廠商外，還有幾個(gè)是以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備見長(zhǎng)的廠商，如斯塔爾、倍加福。下圖是Ethernet-APL技術(shù)的標(biāo)志，標(biāo)志的最左邊是一個(gè)空心的“E”，代表了Ethernet。

Ethernet-APL技術(shù)的標(biāo)志2.3Ethernet-APL的主體設(shè)備有哪些？Ethernet-APL技術(shù)的主體設(shè)備有APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、APL電源交換機(jī)。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或任何其它基于以太網(wǎng)的高階自動(dòng)化協(xié)議。APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)可提供多個(gè)連接支線的端口，端口數(shù)量最多可以做到50個(gè)；APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)往上可以連接APL電源交換機(jī)，也可以直接連接工業(yè)以太網(wǎng)，但需要由輔助電源供電。APL電源交換機(jī)往上層可通過工業(yè)以太網(wǎng)連接控制系統(tǒng)或云應(yīng)用，APL電源交換機(jī)往下層可以連接多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，將Ethernet-APL轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)，當(dāng)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)不帶輔助電源時(shí)，可由APL電源交換機(jī)提供電源。2.4Ethernet-APL系統(tǒng)構(gòu)成是什樣的？Ethernet-APL系統(tǒng)構(gòu)成見下圖。

Ethernet-APL技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成圖Ethernet-APL技術(shù)的主體設(shè)備是交換機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這些設(shè)備之間的接線延續(xù)了現(xiàn)場(chǎng)總線安裝中大家所熟悉的主干線（Trunk）和支線（Spur）的概念，主干線和支線都采用兩線制。APL電源交換機(jī)往下層通過主干線連接多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，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APL支線與多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的端口連接。主干線的最大長(zhǎng)度是1000m，支線的最大長(zhǎng)度是200m。03Ethernet-APL與以往技術(shù)的比較作為現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備向控制系統(tǒng)傳送信息的新技術(shù)，與以往的4mA~20mA、4mA~20mA+HART、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)相比，Ethernet-APL有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？3.1與4mA~20mA比較似乎沒辦法比較，4mA~20mA是五六十年前的技術(shù)，只有模擬量信號(hào)，而且從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)引到控制室全程均通過一對(duì)一的布線方式，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），傳送途中要經(jīng)多處轉(zhuǎn)接（如現(xiàn)場(chǎng)接線箱、配線柜、I/O模件等），潛在故障點(diǎn)多，查找困難。3.2與4mA~20mA+HART的比較4mA~20mA+HART是1986年推出的一種用于現(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4mA~20mA的模擬信號(hào)上，增加了數(shù)字通信，除了主要變量采用4mA~20mA模擬信號(hào)傳送外，其它有關(guān)測(cè)量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、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(shè)備擁有的數(shù)字通信數(shù)據(jù)要么未能傳送到控制系統(tǒng)，要么雖然傳送到控制系統(tǒng)但未能充分利用。其原因在于低帶寬、低功率，如帶寬為1.2kbps、功率約為36mW，而Ethernet-APL技術(shù)10BASE-T1L帶寬是10Mbps，這相當(dāng)于是HART的8000多倍，功率即使在防爆應(yīng)用也可以提供500mW的功率，大約是HART設(shè)備的15倍。Ethernet-APL技術(shù)具有的高帶寬、大功率的特點(diǎn)，可使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。綜合的效果是現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的大量數(shù)據(jù)可以得到更充分的開發(fā)利用，如用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的性能診斷、預(yù)測(cè)、預(yù)維護(hù)。而且在得到高帶寬、大功率支持后，APL現(xiàn)場(chǎng)儀表可以進(jìn)一步增加通過APL傳送的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量，從而使APL現(xiàn)場(chǎng)儀表的智能程度進(jìn)一步提升。3.3與現(xiàn)場(chǎng)總線的比較現(xiàn)場(chǎng)總線Fieldbus技術(shù)開發(fā)后用于過程自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。但FF現(xiàn)場(chǎng)總線儀表需通過H1網(wǎng)卡接入控制系統(tǒng)，PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線儀表需通過DP/PA耦合器與DP總線連接后接入控制系統(tǒng)。在這個(gè)傳送過程中，要增加網(wǎng)關(guān)類設(shè)備，要進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，從而耗費(fèi)時(shí)間、增加投資。而Ethernet-APL技術(shù)不使用網(wǎng)關(guān)，不轉(zhuǎn)換協(xié)議，將大大降低復(fù)雜性和擁有成本，并提高可用性和穩(wěn)健性?，F(xiàn)場(chǎng)總線的帶寬是31.25kbps，與Ethernet-APL技術(shù)的帶寬10Mbps相比，差了300多倍，防爆應(yīng)用場(chǎng)合下現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的功率約為Ethernet-APL技術(shù)提供500mW功率的1/3，非防爆應(yīng)用提供60W功率的數(shù)百分之一。因此現(xiàn)場(chǎng)總線的信息傳送量少，傳送速度慢。從各類現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品來說，普遍存在不支持總線供電、傳輸距離不夠遠(yuǎn)、速度一般、抗干擾能力差、故障排查困難、技術(shù)難度高等問題。04目前的進(jìn)展2015年提出Ethernet-APL的概念；2018年成立“APL項(xiàng)目”組；2021年“APL項(xiàng)目”組負(fù)責(zé)人發(fā)布新聞聲明，正式推出Ethernet-APL技術(shù)并公布規(guī)格、工程指南和一致性測(cè)試計(jì)劃；第一批產(chǎn)品現(xiàn)在可以從選定的供應(yīng)商處獲得。中國(guó)在2007年提出的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EPA通信協(xié)議RealtimeEthernetEPA(EthernetforPlantAutomation)順利通過IEC各國(guó)的投票，正式列入現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158（第四版）中的第十四類型。這項(xiàng)工作是由浙江大學(xué)牽頭，以浙江中控為主聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位自主研發(fā)的。目前浙江中控的開發(fā)團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出Ethernet-APL部分產(chǎn)品，如APL溫度變送器、APL壓力/差壓變送器、12分支現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)等，稍后將陸續(xù)推出電源交換機(jī)、多種類型現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、防爆認(rèn)證產(chǎn)品等全套裝置。作為項(xiàng)目的評(píng)估試點(diǎn)已在德國(guó)巴斯夫公司、美國(guó)寶潔公司完成。在德國(guó)路德維希港巴斯夫公司的設(shè)施上通常配備數(shù)十臺(tái)甚至數(shù)百臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)智能儀器，但由于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，收集的絕大多數(shù)信息很少能夠利用。通常只有基本的過程變量通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，其他類型的數(shù)據(jù)（如配置參數(shù)和健康診斷）滯留在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上。該公司希望在資產(chǎn)整個(gè)生命周期內(nèi)收集匯總裝置的生產(chǎn)和維護(hù)數(shù)據(jù)，能夠發(fā)現(xiàn)可進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)的線索。巴斯夫公司現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)達(dá)不到這些要求，所以需要比現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)更高的帶寬，以將數(shù)字化帶入現(xiàn)場(chǎng)。測(cè)試后巴斯夫的工程師確信：隨著Ethernet-APL的廣泛引入，PROFIBUS或FF現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將被淘汰，Ethernet-APL技術(shù)是未來工廠的最佳技術(shù)。在美國(guó)俄亥俄州西切斯特寶潔公司CET實(shí)驗(yàn)室智能過程演示裝置上，曾做過基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的演示項(xiàng)目，但評(píng)估得出的結(jié)論是它不適合我們的工藝過程?，F(xiàn)在做的Ethernet-APL演示項(xiàng)目包括Ethernet-APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、APL液位、壓力、溫度變送器等設(shè)備。測(cè)試后，寶潔公司認(rèn)為Ethernet-APL能夠訪問多變量和診斷信息，速度要比HART快得多，布線很簡(jiǎn)單，對(duì)Ethernet-APL的演示結(jié)果感到滿意。05后話Ethernet-APL技術(shù)2021年才正式發(fā)布，包括系統(tǒng)架構(gòu)、產(chǎn)品性能、市場(chǎng)價(jià)格、宣傳力度、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。但許多專家看好這項(xiàng)技術(shù)，認(rèn)為它頗具潛力，將向當(dāng)前在自動(dòng)化行業(yè)占主流地位的HART、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)構(gòu)成