Ethernet-APL-与HART、现场总线竞争的技术

摘要：从现场检测设备到控制室控制系统之间信息传输，关乎信号管缆架设方便程度以及资金和人力的投入，还涉及信号传送的数据是单一还是众多，所以先后出现了统一信号制4~20mA、HART、现场总线、无线等信息传输方式。而2021年正式发布的Ethernet-APL技术是基于10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太网物理层标准的扩展，可以支持各种高阶以太网通信协议。Ethernet-APL技术通过交换机实现对分散的现场设备数据直接访问，可具有大功率现场设备供电、信息传送高带宽、布线成本低、通信距离长、可在危险场所使用等优点。是一项对HART和现场总线构成威胁的一项颇具潜力的新技术，且符合跨越IT/OT鸿沟、实现过程自动化系统信息高效传输和应用的历史潮流。关键词：Ethernet-APL；信息传输；4~20mA；HART；现场总线；无线

一、

概述

从现场检测设备到控制室控制系统之间信息传输，除了气动信号外，最初的电动信号是不同信号类型（如热电偶、热电阻、mA、mV）、不同种类的导线（如补偿导线、普通导线）、电缆的布线；稍后是统一信号制（如4mA~20mA）的布线；再往后是现场总线布线方式和很少布线的无线方式。1950年，作为各类仪表之间统一联系信号的国际标准4mA~20mA问世，这只是一个模拟信号，但到今天仍然在流行。一些电流、电压、功率、频率参数等需要通过转换器转换成标准模拟量电信号，一些非电气参数物理量，例如压力、差压、流量等参数可通过变送器转换成标准模拟量电信号，这样才能传输到数十米或数百米外的控制室的显示设备和控制系统上。HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国罗斯蒙特（Rosemount，现为艾默生过程管理公司的子公司）公司于1986年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART协议的特点是采用了总线式的数字通信，但它只是现场总线的雏形，并不是真正的现场总线。它将调制后的正弦信号叠加在4mA~20mA的模拟信号上，是一项4mA~20mA模拟信号与数字通信相兼容的标准，是从模拟控制系统向现场总线过渡的一块踏脚石。HART作为一种命令/响应协议被创建，在这种协议中，主机发出命令，设备响应。当一个安装中有许多设备，并且主机正在与许多这些设备通信时，主机需要知道它想要发出命令的设备的名称或地址，这种寻址方案在HART协议规范中被定义。2007年HART为适应互联网协议(IP)，当从WirelessHART无线网关返回数据时，由HART定义的寻址方案就不再需要了，而是使用IP地址，并为每个设备分配一个IP地址。这就是HART-IP，作为一种高速以太网协议，用于传输从无线WirelessHART网关收集的HART数据。奇妙的是，原来的HART协议仍然存在于HART-IP中，4mA~20mA模拟信号被过程变量和控制指令的安全、高速数字传输所取代。如今，四千万台拥有HART协议的4mA~20mA仪表构成了全球安装仪表的绝大多数。即使在今天，它仍然主导着全球流程工业的各类仪表。带HART功能的现场仪表需通过支持HART协议的多通道智能模块接入各类控制系统。HART可以说是近40多年来业界最受信任的通信协议，HART通信基金会HCF（HARTCommunicationFoundation）是一个国际性的、非盈利的会员制组织，它支持和促进HART通信协议标准和技术的广泛使用。但遗憾的是，大多数HART设备拥有的众多数据未能传送到控制系统或者未能充分利用。现场总线Fieldbus技术于20世纪80年代末、90年代初开发，是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等多个领域的现场智能设备互连通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式控制系统。FF现场总线仪表需通过H1网卡接入控制系统，Profibus-PA现场总线仪表需通过DP/PA耦合器与DP总线连接后接入控制系统。现场总线对面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用，但其成本高、速度低、支持应用有限等缺陷，再加上无法统一的数十个总线标准的无序竞争、不同总线标准产品互联复杂，其发展受到一定的限制。作为无需布线的通信方式，无线通信技术具有节省电缆、简化安装、提高信息的可用性的优点，但刷新率受限等因素限制了在控制回路等场合的应用，所以它只是对HART、现场总线技术的补充。以下是这几种信息传输方式的比较（见表1）。表1信息传输方式的比较以太网是世界上应用最普遍的计算机网络，经典以太网是以太网的原始形式，运行速度很低，而交换式以太网正是广泛应用的以太网，可分别以快速以太网、千兆以太网和万兆以太网的形式呈现。交换式以太网的核心是一个交换机，它包含一块连接多个端口的高速背板，便于处理不断增长的负载，每个端口都有一个标准的RJ-45连接器用来连接双绞电缆。交换机只把帧输出到该帧想去的端口。通过简单的插入或者拔出电缆就能完成添加或者删除一台设备，而且端口及电缆的故障通常只影响到一台设备，因此大多数故障都很容易发现。Ethernet-APL（EthernetwithanAdvancedPhysicalLayer，以太网高级物理层）技术提供了基于单对以太网的增强物理层，它基于IEEE和IEC标准，提供到现场的双线以太网连接，主要用于将现场设备（传感器和执行器）连接到控制网络。Ethernet-APL直接影响了跨行业的IT/OT网络融合，借助基于以太网的物理层，下游应用可以在集成了Ethernet-APL的设备上自由实施多种协议，从现场级到云端的普适性给工业领域带来了让人意想不到的革新。以太网连线电缆默认设置都是八根线，但不是所有的情况都会用到这八根线，如传输速率十兆的实际上只会用到其中的四根线，而千兆网，则需要使用全部的八根线。而现在说到的Ethernet-APL，只用两芯电缆就可以了，所以FieldCommGroup中国区技术总监王骏将其称为“两线以太网”。网上有几篇简介Ethernet-APL的文章，称Ethernet-APL“要革4-20mA、HART和现场总线的命？”虽说有点骇人听闻，但未来对HART和现场总线构成威胁还是肯定的，能否革HART和现场总线的命并取而代之还需再看看。

二、

Ethernet-APL技术

2.1Ethernet-APL的进程

早在2015年，曾有人演示过使用Ethernet-APL技术过程工厂架构的微型版本。2018年，主要流程工业供应商签署了一项开发Ethernet-APL技术的协议，称为“APL项目”。这项工作得到了领先的行业标准开发组织（SDO）FieldCommGroup、ODVA、OPCFoundation和PROFIBUS&PROFINETInternational等机构的支持（见图1）。主要合作的自动化厂商有：ABB、艾默生、Endress+Hauser、Krohne、菲尼克斯电气、罗克韦尔、倍加福、SAMSON、西门子、Stahl、Vega和横河（见图2）。图1支持Ethernet-APL的标准组织图2支持Ethernet-APL的主要自动化厂商“APL项目”成功合作三年后，为现场仪表创建提供了以太网新的物理层解决方案。2019年底的NAMUR大会和2020年2月的ARC论坛上，菲尼克斯电气公司通过演示设备展示了Ethernet-APL交换机的首批可用原型。依托Ethernet-APL交换机和PLCnextTechnology、NAMUR设备与“APL项目”合作伙伴ABB、Endress+Hauser、Krohne及SAMSON使用PROFINET协议将数据连接至HMI和云端。“APL项目”团队还与半导体制造商合作，为Ethernet-APL提供10BASE-T1L所需的芯片。此外，12个“APL项目”行业合作伙伴正在完成即将上市的产品开发。2021年6月根据Ethernet-APL项目负责人发布的新闻声明，正式推出Ethernet-APL技术并发布规格、工程指南和一致性测试计划，最终用户现在可以期待来自领先供应商的组件，第一批产品现在可以从选定的供应商处获得。图3是Ethernet-APL技术的标志，标志的最左边是一个空心的“E”，代表了Ethernet。图3Ethernet-APL技术的标志2021年7月15~16日在德国法兰克福举办了ACHEMAPulse阿赫玛展会，这是全球化工、制药工业、生物技术领域可持续发展的盛会，在展会的在线互动平台上举行了涉及Ethernet-APL技术多厂商的演示，以数字化方式展示了不同产品厂商和网络的参与，强调了Ethernet-APL将为终端用户提供的多种选择和互操作性。德国SoftingIndustrialAutomation公司推出commModuleAPL全新硬件模块，可实现与Ethernet-APL的连接，并提供能轻松配置的可实现现场设备所需功能的应用软件，可以支持设备制造商将现有的HART和Modbus现场设备转换成Ethernet-APL现场设备（见图4左）。倍加福（Pepperl+Fuchs）公司也推出了多种规格（8、16、24接入口）的Ethernet-APL现场交换机，图4右是可接入24台Ethernet-APL现场设备的现场交换机。图4Ethernet-APL技术设备左：Softing公司的硬件模块；右：倍加福公司现场交换机2.2Ethernet-APL技术简介

Ethernet-APL是基于10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太网物理层标准的扩展，可以支持各种高阶以太网通信协议。Ethernet-APL通过对物理层进行调整，可以满足过程相关工厂可靠运行所需的要求，并规定了以太网通信在过程工业传感器和执行器上的应用细节，如规定了在危险场所使用的实施方法，使得在危险的过程自动化设施中部署高速、支持以太网仪器的进展方面又迈了一大步。图4显示了Ethernet-APL用于过程自动化的体系结构，位于云端的企业经营管理系统和提供信息的控制系统（通常为PLC或DCS）仍为企业现有的系统。只是在向控制系统提供与生产现场联系信息时增加了作为Ethernet-APL设备的APL电源交换机和APL现场交换机，APL电源交换机向上通过工业以太网与控制系统相连，向下通过APL主干线（Trunk）与多台APL现场交换机相连并提供电源，而主干线每段的长度为1000m，通过电缆连接器还可以多次扩展。APL现场交换机有多个端口，每个端口可通过APL支线（Spur）连接APL现场设备，支线长度为200m，APL支线通过本质安全性验证，可用于Exia或Exic有防爆要求的区域，如Zone0/Div.1、Zone1/Div.2。主干线、支线均为沿同一两线电缆同时传输数据和电源。APL现场设备是带Ethernet-APL接口的APL现场设备（如温度变送器、压力变送器、流量变送器、定位器等），可通过支线连接到APL现场交换机的端口上，实现Ethernet-APL通信（见图5）。带Ethernet-APL接口的APL现场设备是指可支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高级别协议的现场设备。图5Ethernet-APL实现了现场到云端的无缝连接

三、

Ethernet-APL技术的特点

由表1可见，较为先进的信息传输方式，如HART、现场总线、无线均需要配备昂贵、复杂和耗电的网关类设备（如网卡、耦合器、网关等），而通过Ethernet-APL融合，不再需要这类设备，直接通过交换机就可以实现了分散的现场设备数据访问，网关类设备的删除，可以显著降低安装成本和复杂程度。以太网在实际使用中经常遇到不少挑战：功率的挑战、带宽的挑战、布线的挑战、通信距离的挑战乃至于危险工况的挑战。Ethernet-APL技术给予了一种新的可能，即从现场到云端的无缝融合。3.1功率

4mA~20mA的系统提供的功率约为36mW，现场总线的功率也极其有限，无线依靠锂电池供电，功率更是受限。而Ethernet-APL可以在非防爆应用中提供高达60W的功率，在防爆应用中提供500mW的功率，这大大提升了以往的功率限制，意味着更多设备、更多功能能够被启用。尤其是随着工业网络边缘的应用来说，可用功率的限制一直是掣肘多应用发展的拦路虎。Ethernet-APL技术的入场将大大提升测量的性能与数据边缘处理的能力。3.2带宽

首先对4mA~20mA（带HART）、现场总线以及Ethernet-APL技术的10BASE-T1L通信做一个简单的比较，从数据带宽上来看，4mA~20mA的带宽在1.2kbps，现场总线的带宽在31.25kbps，10BASE-T1L为10Mbps，带宽上Ethernet-APL技术占据的优势非常明显。3.3布线

Ethernet-APL技术的10BASE-T1L标准定义了信道模型，该通道模型非常适合现场总线电缆，因此，某些已安装的电流为4mA~20mA设备的电缆有可能在转换成Ethernet-APL技术时重复使用。与更复杂的电缆相比，单根双绞线电缆成本低，尺寸小并且更易于安装。从现在了解到的情况看，多数情况下由于双绞线电缆的两端均可配接头，安装接线非常简便。3.4通信距离

迄今为止，过程自动化应用中的现场级设备和控制系统之间的物理距离一般限制为100m，而在相当多的过程自动化应用中有很多是100m~1000m的距离，Ethernet-APL技术可将通信距离拉长到1000m甚至更远，并以极低的功耗和极高的可靠性与现场设备连接（见图6）。图6Ethernet-APL应用的通信距离和防爆区域3.5防爆区域

Ethernet-APL支持两种电压峰值模式，一种是1000m线缆的2.4V峰值，一种是200m距离的1.0V峰值。1.0V峰值的模式意味着Ethernet-APL技术满足了严格的最大能量限制，所以现场设备能够在防爆区域中安装使用。

四、

专家评述

对Ethernet-APL技术，由于目前尚在宣传及试点阶段，来自用户的实际应用评价尚未见到，所以我们只能先听听一部分熟悉这项技术的专家如何评述。APL指导委员会主席约尔格·哈尼什（JörgHähniche）博士这样评论：“我们很高兴发布精心制定的技术规范和工程指南，使Ethernet-APL技术能够开始改变过程自动化领域。Ethernet-APL项目内多个标准开发和供应商组织之间的高水平合作导致了一个用于过程自动化面向未来的以太网高级物理层。这项技术的发布是一个关键的进步标志，现在开发之旅将继续，重要的行业合作伙伴正在开发产品。”国际现场通信集团（FieldCommGroup，FCG）现场通信协议总监表示：“多年来，我们一直在讨论IT和OT的融合。虽然有时会遇到运营方面的阻力，但网络安全管理、补丁、防火墙配置等工作是IT集团的强项。让IT人员做他们最擅长的事情。”通信协议总监继续说，有了HART-IP，安全地调试新的Ethernet-APL设备就可以像安全地调试WirelessHART仪器一样容易。“把它从盒子里拿出来，放在工作台上，连接一个手持设备，输入网络ID和连接键。然后把它放在装置里，它就工作了。我们试着做内部难做的东西，让外部变得简单。”国际现场通信集团中国区技术总监说：“Ethernet-APL是两线以太网技术，是未来过程自动化领域的底层通信基础。Ethernet-APL技术已经在自动化领域得到广泛的关注和认可，它符合未来的发展趋势，因此获得国内外很多高校、研究机构和企业的关注。”艾默生流量变送器营销经理兼工作组代表指出：“当今在以太网上运行的任何协议都可以通过Ethernet-APL使用，这包括HART-IP和Profinet以及EtherNet/IP和其他通常被排除在危险区域职责之外的工业以太网变体。诸如此类的基于以太网的协议提供了使用I/O的规定，这些I/O可以与使用传统数字协议（例如模拟量+HART、Profibus-PA和基金会现场总线）的设备进行通信”。继续说道：“最初，我们希望客户继续根据舒适度、成本和性能做出决策。但随着时间的推移，随着仪器和系统供应商为Ethernet-APL提供更多支持，我们希望客户会选择Ethernet-APL设备，因为这有可能提高性能、安全性和灵活性。”横河公司在APL工作组的代表远预测说：“基金会现场总线和Profibus-PA可能在Ethernet-APL技术面前最先败下阵来，Ethernet-APL技术将首先取代传统的数字协议，然后在不远的将来取代4mA~20mA和HART。”但倍加福公司的表示，Ethernet-APL与当前的现场总线协议不一定是势不两立、全有全无的命题。“Ethernet-APL交换机已被证明可提供具有双重功能的Ethernet-APL支线接口，如Profinet-APL和Profibus-PA。从理论上讲，这也是可行的，基金会现场总线仪器可以将数据映射到任何基于以太网的实时协议上。这种双重功能对于将现有装置转换到基于Ethernet-APL的基础设施非常重要。在未来几年内，现有的