Ethernet-APL技術標志。Ethernet-APL技術標志的最左邊是一個空心的“E”，代表了Ethernet
一、概述
從現場檢測設備到控制室控制系統(tǒng)之間信息傳輸，除了氣動信號外，最初的電動信號是不同信號類型(如熱電偶、熱電阻、mA、mV)、不同種類的導線(如補償導線、普通導線)、電纜的布線；稍后是統(tǒng)一信號制(如4-20mA)的布線；再往后是現場總線布線方式和很少布線的無線方式。
1950年，作為各類儀表之間統(tǒng)一聯系信號的國際標準4-20mA問世，這只是一個模擬信號，但到今天仍然在流行。一些電流、電壓、功率、頻率參數等需要通過轉換器轉換成標準模擬量電信號，一些非電氣參數物理量，例如壓力、差壓、流量等參數可通過變送器轉換成標準模擬量電信號，這樣才能傳輸到數十米或數百米外的控制室的顯示設備和控制系統(tǒng)上。
HART(Highway Addressable Remote Transducer)可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國羅斯蒙特(Rosemount，現為艾默生過程管理公司的子公司)公司于1986年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議的特點是采用了總線式的數字通信，但它只是現場總線的雛形，并不是真正的現場總線。它將調制后的正弦信號疊加在4-20mA的模擬信號上，是一項4-20mA模擬信號與數字通信相兼容的標準，是從模擬控制系統(tǒng)向現場總線過渡的一塊踏腳石。HART作為一種命令/響應協(xié)議被創(chuàng)建，在這種協(xié)議中，主機發(fā)出命令，設備響應。當一個安裝中有許多設備，并且主機正在與許多這些設備通信時，主機需要知道它想要發(fā)出命令的設備的名稱或地址，這種尋址方案在HART協(xié)議規(guī)范中被定義。
2007年HART為適應互聯網協(xié)議(IP)，當從WirelessHART無線網關返回數據時，由HART定義的尋址方案就不再需要了，而是使用IP地址，并為每個設備分配一個IP地址。這就是HART-IP，作為一種高速以太網協(xié)議，用于傳輸從無線WirelessHART網關收集的HART數據。奇妙的是，原來的HART協(xié)議仍然存在于HART-IP中，4-20mA模擬信號被過程變量和控制指令的安全、高速數字傳輸所取代。如今，四千萬臺擁有HART協(xié)議的4-20mA儀表構成了全球安裝儀表的絕大多數。即使在今天，它仍然主導著全球流程工業(yè)的各類儀表。帶HART功能的現場儀表需通過支持HART協(xié)議的多通道智能模塊接入各類控制系統(tǒng)。
HART可以說是近40多年來業(yè)界最受信任的通信協(xié)議，HART通信基金會HCF(HART Communication Foundation)是一個國際性的、非盈利的會員制組織，它支持和促進HART通信協(xié)議標準和技術的廣泛使用。但遺憾的是，大多數HART設備擁有的眾多數據未能傳送到控制系統(tǒng)或者未能充分利用。
現場總線Fieldbus技術于20世紀80年代末、90年代初開發(fā)，是用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等多個領域的現場智能設備互連通信網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布式控制系統(tǒng)。FF現場總線儀表需通過H1網卡接入控制系統(tǒng)，Profibus-PA現場總線儀表需通過DP/PA耦合器與DP總線連接后接入控制系統(tǒng)。
現場總線對面向設備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用，但其成本高、速度低、支持應用有限等缺陷，再加上無法統(tǒng)一的數十個總線標準的無序競爭、不同總線標準產品互聯復雜，其發(fā)展受到一定的限制。
作為無需布線的通信方式，無線通信技術具有節(jié)省電纜、簡化安裝、提高信息的可用性的優(yōu)點，但刷新率受限等因素限制了在控制回路等場合的應用，所以它只是對HART、現場總線技術的補充。
以下是這幾種信息傳輸方式的比較(見表1)。
表1 信息傳輸方式的比較
以太網是世界上應用最普遍的計算機網絡，經典以太網是以太網的原始形式，運行速度很低，而交換式以太網正是廣泛應用的以太網，可分別以快速以太網、千兆以太網和萬兆以太網的形式呈現。交換式以太網的核心是一個交換機，它包含一塊連接多個端口的高速背板，便于處理不斷增長的負載，每個端口都有一個標準的RJ-45連接器用來連接雙絞電纜。交換機只把幀輸出到該幀想去的端口。通過簡單的插入或者拔出電纜就能完成添加或者刪除一臺設備，而且端口及電纜的故障通常只影響到一臺設備，因此大多數故障都很容易發(fā)現。
Ethernet-APL(Ethernet with an Advanced Physical Layer)，以太網高級物理層)技術提供了基于單對以太網的增強物理層，它基于IEEE和IEC標準，提供到現場的雙線以太網連接，主要用于將現場設備(傳感器和執(zhí)行器)連接到控制網絡。
Ethernet-APL直接影響了跨行業(yè)的IT/OT網絡融合，借助基于以太網的物理層，下游應用可以在集成了Ethernet-APL的設備上自由實施多種協(xié)議，從現場級到云端的普適性給工業(yè)領域帶來了讓人意想不到的革新。
以太網連線電纜默認設置都是八根線，但不是所有的情況都會用到這八根線，如傳輸速率十兆的實際上只會用到其中的四根線，而千兆網，則需要使用全部的八根線。而現在說到的Ethernet-APL，只用兩芯電纜就可以了，所以FieldCommGroup中國區(qū)技術總監(jiān)王駿將其稱為“兩線以太網”。網上有幾篇簡介Ethernet-APL的文章，稱Ethernet-APL“要革4-20mA、HART和現場總線的命？”雖說有點駭人聽聞，但未來對HART和現場總線構成威脅還是肯定的，能否革HART和現場總線的命并取而代之還需再看看。
二、 Ethernet-APL技術
2.1 Ethernet-APL的進程
早在2015年，曾有人演示過使用Ethernet-APL技術過程工廠架構的微型版本。2018年，主要流程工業(yè)供應商簽署了一項開發(fā)Ethernet-APL技術的協(xié)議，稱為“APL項目”。這項工作得到了領先的行業(yè)標準開發(fā)組織(SDO)FieldComm Group、ODVA、OPC Foundation和PROFIBUS&PROFINET International等機構的支持(見圖1)。主要合作的自動化廠商有：ABB、艾默生、Endress+Hauser、Krohne、菲尼克斯電氣、羅克韋爾、倍加福、SAMSON、西門子、Stahl、Vega和橫河。
“APL項目”成功合作三年后，為現場儀表創(chuàng)建提供了以太網新的物理層解決方案。2019年底的NAMUR大會和2020年2月的ARC論壇上，菲尼克斯電氣公司通過演示設備展示了Ethernet-APL交換機的首批可用原型。依托Ethernet-APL交換機和PLCnextTechnology、NAMUR設備與“APL項目”合作伙伴ABB、Endress+Hauser、Krohne及SAMSON使用PROFINET協(xié)議將數據連接至HMI和云端。“APL項目”團隊還與半導體制造商合作，為Ethernet-APL提供10BASE-T1L所需的芯片。此外，12個“APL項目”行業(yè)合作伙伴正在完成即將上市的產品開發(fā)。
2021年6月根據Ethernet-APL項目負責人發(fā)布的新聞聲明，正式推出Ethernet-APL技術并發(fā)布規(guī)格、工程指南和一致性測試計劃，最終用戶現在可以期待來自領先供應商的組件，第一批產品現在可以從選定的供應商處獲得。
2021年7月15~16日在德國法蘭克福舉辦了ACHEMA Pulse阿赫瑪展會，這是全球化工、制藥工業(yè)、生物技術領域可持續(xù)發(fā)展的盛會，在展會的在線互動平臺上舉行了涉及Ethernet-APL技術多廠商的演示，以數字化方式展示了不同產品廠商和網絡的參與，強調了Ethernet-APL將為終端用戶提供的多種選擇和互操作性。德國Softing Industrial Automation公司推出commModule APL全新硬件模塊，可實現與Ethernet-APL的連接，并提供能輕松配置的可實現現場設備所需功能的應用軟件，可以支持設備制造商將現有的HART和Modbus現場設備轉換成Ethernet-APL現場設備。倍加福(Pepperl+Fuchs)公司也推出了多種規(guī)格(8、16、24接入口)的Ethernet-APL現場交換機，可接入24臺Ethernet-APL現場設備的現場交換機。
2.2 Ethernet-APL技術簡介
Ethernet-APL是基于10BASE-T1L(IEEE802.3cg-2019)以太網物理層標準的擴展，可以支持各種高階以太網通信協(xié)議。Ethernet-APL通過對物理層進行調整，可以滿足過程相關工廠可靠運行所需的要求，并規(guī)定了以太網通信在過程工業(yè)傳感器和執(zhí)行器上的應用細節(jié)，如規(guī)定了在危險場所使用的實施方法，使得在危險的過程自動化設施中部署高速、支持以太網儀器的進展方面又邁了一大步。
圖4顯示了Ethernet-APL用于過程自動化的體系結構，位于云端的企業(yè)經營管理系統(tǒng)和提供信息的控制系統(tǒng)(通常為PLC或DCS)仍為企業(yè)現有的系統(tǒng)。只是在向控制系統(tǒng)提供與生產現場聯系信息時增加了作為Ethernet-APL設備的APL電源交換機和APL現場交換機，APL電源交換機向上通過工業(yè)以太網與控制系統(tǒng)相連，向下通過APL主干線(Trunk)與多臺APL現場交換機相連并提供電源，而主干線每段的長度為1000m，通過電纜連接器還可以多次擴展。APL現場交換機有多個端口，每個端口可通過APL支線(Spur)連接APL現場設備，支線長度為200m，APL支線通過本質安全性驗證，可用于Exia或Exic有防爆要求的區(qū)域，如Zone0/Div.1、Zone1/Div.2。主干線、支線均為沿同一兩線電纜同時傳輸數據和電源。APL現場設備是帶Ethernet-APL接口的APL現場設備(如溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、定位器等)，可通過支線連接到APL現場交換機的端口上，實現Ethernet-APL通信(見圖5)。帶Ethernet-APL接口的APL現場設備是指可支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高級別協(xié)議的現場設備。
Ethernet-APL實現了現場到云端的無縫連接
三、Ethernet-APL技術的特點
由表1可見，較為先進的信息傳輸方式，如HART、現場總線、無線均需要配備昂貴、復雜和耗電的網關類設備(如網卡、耦合器、網關等)，而通過Ethernet-APL融合，不再需要這類設備，直接通過交換機就可以實現了分散的現場設備數據訪問，網關類設備的刪除，可以顯著降低安裝成本和復雜程度。
以太網在實際使用中經常遇到不少挑戰(zhàn)：功率的挑戰(zhàn)、帶寬的挑戰(zhàn)、布線的挑戰(zhàn)、通信距離的挑戰(zhàn)乃至于危險工況的挑戰(zhàn)。Ethernet-APL技術給予了一種新的可能，即從現場到云端的無縫融合。
3.1 功率
4-20mA的系統(tǒng)提供的功率約為36mW，現場總線的功率也極其有限，無線依靠鋰電池供電，功率更是受限。而Ethernet-APL可以在非防爆應用中提供高達500mW的功率，在防爆應用中提供60W的功率，這大大提升了以往的功率限制，意味著更多設備、更多功能能夠被啟用。尤其是隨著工業(yè)網絡邊緣的應用來說，可用功率的限制一直是掣肘多應用發(fā)展的攔路虎。Ethernet-APL技術的入場將大大提升測量的性能與數據邊緣處理的能力。
3.2 帶寬
首先對4-20mA(帶HART)、現場總線以及Ethernet-APL技術的10BASE-T1L通信做一個簡單的比較，從數據帶寬上來看，4mA~20mA的帶寬在1.2kbps，現場總線的帶寬在31.25kbps，10BASE-T1L為10Mbps，帶寬上Ethernet-APL技術占據的優(yōu)勢非常明顯。
3.3 布線
Ethernet-APL技術的10BASE-T1L標準定義了信道模型，該通道模型非常適合現場總線電纜，因此，某些已安裝的電流為4-20mA設備的電纜有可能在轉換成Ethernet-APL技術時重復使用。與更復雜的電纜相比，單根雙絞線電纜成本低，尺寸小并且更易于安裝。從現在了解到的情況看，多數情況下由于雙絞線電纜的兩端均可配接頭，安裝接線非常簡便。
3.4 通信距離
迄今為止，過程自動化應用中的現場級設備和控制系統(tǒng)之間的物理距離一般限制為100m，而在相當多的過程自動化應用中有很多是100m~1000m的距離，Ethernet-APL技術可將通信距離拉長到1000m甚至更遠，并以極低的功耗和極高的可靠性與現場設備連接(見圖6)。
圖6 Ethernet-APL應用的通信距離和防爆區(qū)域
3.5 防爆區(qū)域
Ethernet-APL支持兩種電壓峰值模式，一種是1000m線纜的2.4V峰值，一種是200m距離的1.0V峰值。1.0V峰值的模式意味著Ethernet-APL技術滿足了嚴格的最大能量限制，所以現場設備能夠在防爆區(qū)域中安裝使用。
四、專家評述
對Ethernet-APL技術，由于目前尚在宣傳及試點階段，來自用戶的實際應用評價尚未見到，所以我們只能先聽聽一部分熟悉這項技術的專家如何評述。
APL指導委員會主席約爾格·哈尼什(J?rg H?hniche)博士這樣評論：“我們很高興發(fā)布精心制定的技術規(guī)范和工程指南，使Ethernet-APL技術能夠開始改變過程自動化領域。Ethernet-APL項目內多個標準開發(fā)和供應商組織之間的高水平合作導致了一個用于過程自動化面向未來的以太網高級物理層。這項技術的發(fā)布是一個關鍵的進步標志，現在開發(fā)之旅將繼續(xù)，重要的行業(yè)合作伙伴正在開發(fā)產品?！?/span>
國際現場通信集團(FieldComm Group，FCG)現場通信協(xié)議總監(jiān)沃利·普拉特(Wally P)表示：“多年來，我們一直在討論IT和OT的融合。雖然有時會遇到運營方面的阻力，但網絡安全管理、補丁、防火墻配置等工作是IT集團的強項。讓IT人員做他們最擅長的事情?！蔽掷て绽乩^續(xù)說，有了HART-IP，安全地調試新的Ethernet-APL設備就可以像安全地調試WirelessHART儀器一樣容易?！鞍阉鼜暮凶永锬贸鰜?，放在工作臺上，連接一個手持設備，輸入網絡ID和連接鍵。然后把它放在裝置里，它就工作了。我們試著做內部難做的東西，讓外部變得簡單?！?/span>
國際現場通信集團中國區(qū)技術總監(jiān)王駿說：“Ethernet-APL是兩線以太網技術，是未來過程自動化領域的底層通信基礎。Ethernet-APL技術已經在自動化領域得到廣泛的關注和認可，它符合未來的發(fā)展趨勢，因此獲得國內外很多高校、研究機構和企業(yè)的關注。”
艾默生流量變送器營銷經理兼工作組代表安迪·克拉維茨(Andy Kravitz)指出：“當今在以太網上運行的任何協(xié)議都可以通過Ethernet-APL使用，這包括HART-IP和Profinet以及EtherNet/IP和其他通常被排除在危險區(qū)域職責之外的工業(yè)以太網變體。諸如此類的基于以太網的協(xié)議提供了使用I/O的規(guī)定，這些I/O可以與使用傳統(tǒng)數字協(xié)議(例如模擬量+HART、Profibus-PA和基金會現場總線)的設備進行通信”。安迪·克拉維茨繼續(xù)說道：“最初，我們希望客戶繼續(xù)根據舒適度、成本和性能做出決策。但隨著時間的推移，隨著儀器和系統(tǒng)供應商為Ethernet-APL提供更多支持，我們希望客戶會選擇Ethernet-APL設備，因為這有可能提高性能、安全性和靈活性?！?/span>
橫河公司在APL工作組的代表遠藤太郎(Taro Endoh)預測說：“基金會現場總線和Profibus-PA可能在Ethernet-APL技術面前最先敗下陣來，Ethernet-APL技術將首先取代傳統(tǒng)的數字協(xié)議，然后在不遠的將來取代4-20mA和HART?！?/span>
但倍加福公司的凱斯勒(Kessler)表示，Ethernet-APL與當前的現場總線協(xié)議不一定是勢不兩立、全有全無的命題?！癊thernet-APL交換機已被證明可提供具有雙重功能的Ethernet-APL支線接口，如Profinet-APL和Profibus-PA。從理論上講，這也是可行的，基金會現場總線儀器可以將數據映射到任何基于以太網的實時協(xié)議上。這種雙重功能對于將現有裝置轉換到基于Ethernet-APL的基礎設施非常重要。在未來幾年內，現有的基金會現場總線或Profibus-PA儀器可能會用Ethernet-APL接口來填補儀器功能缺失的空白。
ABB測量與分析部門平臺業(yè)務經理蒂洛·梅林(Tilo Merlin)補充道：“由于目前大多數DCS系統(tǒng)已經支持Profinet和EtherNet/IP，因此采用Ethernet-APL與這些協(xié)議配合使用將非常簡單?！庇捎谥苯邮褂孟司W關或其他協(xié)議轉換的使用，與傳統(tǒng)的現場總線解決方案相比，它將大大降低復雜性和擁有成本，并提高可用性和穩(wěn)健性。蒂洛·梅林認為：“除了應用那些既定的基于以太網的協(xié)議，Ethernet-APL能夠使用OPCUA等新協(xié)議，提供新的安全和語義水平，從而打破了IT和OT之間的邊界。Ethernet-APL支持完整的以太網堆棧，這意味著IEEE(電氣與電子)世界的所有附加功能均可用于提高可用性?！钡俾濉っ妨诌€表示：“以太網的通用多協(xié)議功能影響深遠，它使OT和IT世界之間的安全連接變得更加容易。由于OPCUA從現場級到云的普遍適用性，Ethernet-APL將成為物理資產連接到其數字化雙胞胎的基石。”
霍尼韋爾過程解決方案首席技術官杰森·厄索(Jason Urso)認為，行業(yè)不應該浪費大量時間擔心設備之間如何通信。杰森?厄索說：“我們將建立一個廣泛采用和普及的基礎設施，讓很多人了解并知道如何維護它。我們可能會發(fā)現，新的設備和不同的行業(yè)更適合于其他協(xié)議，而不是HART-IP，但也不排除我們使用Ethernet-APL。所以，我們可以從中學習，采納和適應，讓我們盡快將這項技術提供給我們的客戶?！?/span>
五、 結束語
雖然Ethernet-APL技術2021年才正式發(fā)布，包括產品市場價格、推廣力度、用戶接受程度都存在許多不確定的因素。但它畢竟是一項對HART和現場總線構成威脅的一項頗具潛力的新技術，且符合跨越IT/OT鴻溝、實現過程自動化系統(tǒng)信息高效傳輸和應用的歷史潮流。期望國內自動化行業(yè)的制造廠商能深入研究這一技術，從而推出國產化Ethernet-APL技術的產品。
作者簡介
方原柏，1942年生，男，湖北黃岡人，昆明有色冶金設計研究院電氣自動化分院教授級高級工程師，曾擔任本刊編委?，F任昆明儀器儀表學會理事長，中國衡器協(xié)會技術專家委員會顧問，衡器、冶金自動化、儀器儀表與自動化等雜志編委，主要從事儀器儀表、控制系統(tǒng)的應用研究。
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