以太網(wǎng)APL：利用切實(shí)可行的見(jiàn)解優(yōu)化流程自動(dòng)化

Ethernet-APL（高級(jí)物理層）規(guī)定了以太網(wǎng)通信在過(guò)程工業(yè)傳感器和執(zhí)行器中的應(yīng)用細(xì)節(jié)，并將在IEC下發(fā)布。它基于2019年11月7日批準(zhǔn)的新的10BASE-T1L（IEEE802.3cg-2019）以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定了在危險(xiǎn)場(chǎng)所使用的實(shí)施和防爆方法。過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)先公司正在PROFIBUS和PROFINET International（PI），ODVA，Inc.和FieldComm Group的框架下合作，使Ethernet-APL跨工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議工作并加速其部署。?

為什么以太網(wǎng) APL 很重要？Ethernet-APL 將通過(guò)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高帶寬、無(wú)縫以太網(wǎng)連接來(lái)改變過(guò)程自動(dòng)化世界。它解決了迄今為止限制以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)使用的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括電源、帶寬、布線、距離和在危險(xiǎn)場(chǎng)所的使用。通過(guò)解決棕地升級(jí)和新綠地安裝的這些挑戰(zhàn)，Ethernet-APL 將提供以前無(wú)法獲得的新見(jiàn)解，例如組合過(guò)程變量、輔助參數(shù)和資產(chǎn)運(yùn)行狀況反饋，并將其無(wú)縫傳達(dá)給控制層。這些新見(jiàn)解將通過(guò)從現(xiàn)場(chǎng)到云的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)分析、運(yùn)營(yíng)見(jiàn)解和生產(chǎn)力提高帶來(lái)新的可能性。

為了在過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用中用以太網(wǎng)APL取代4 mA至20 mA或現(xiàn)場(chǎng)總線通信（基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線或PROFIBUS PA），需要向傳感器和執(zhí)行器提供電源和數(shù)據(jù)。過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用中現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的距離一直是現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)物理層技術(shù)被限制在100米的重大挑戰(zhàn)。由于過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用需要長(zhǎng)達(dá) 1 km 的距離，再加上需要適用于 Zone 0（本質(zhì)安全）應(yīng)用的超低功耗和堅(jiān)固耐用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，因此需要一種新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)用于過(guò)程自動(dòng)化的以太網(wǎng)物理層技術(shù)。Ethernet-APL 就是這種新方法。

Ethernet-APL 基于 10BASE-T1L 物理層功能，采用全雙工、直流平衡、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方案，具有 PAM 3 調(diào)制，符號(hào)速率為 7.5 MBd，4B3T 編碼。它支持兩種幅度模式：2.4 V 峰值（長(zhǎng)達(dá) 1000 m 的電纜）和 1.0 V 峰值（縮短距離）。1.0 V峰值幅度模式意味著這種新的物理層技術(shù)也可用于防爆系統(tǒng)（Ex）的環(huán)境，并滿足嚴(yán)格的最大能量限制。10BASE-T1L可通過(guò)屏蔽的單雙絞線電纜，采用兩線制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電源和數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸。

在向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電方面，Ethernet-APL 可在 Zone 0 應(yīng)用中提供高達(dá) 500 mW 的功率，而目前 4 mA 至 20 mA 系統(tǒng)可提供的功率約為 36 mW。在非本質(zhì)安全應(yīng)用中，根據(jù)所使用的電纜，最高可達(dá) 60 W 的功率。隨著網(wǎng)絡(luò)邊緣的可用功率顯著增加，可以啟用具有增強(qiáng)特性和功能的新現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，因?yàn)? mA至20 mA的功率限制和現(xiàn)場(chǎng)總線不再適用。例如，通過(guò)這種額外的功能，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)更高性能的測(cè)量和增強(qiáng)的數(shù)據(jù)邊緣處理。這將解鎖有關(guān)過(guò)程變量的寶貴見(jiàn)解，這些見(jiàn)解現(xiàn)在可以通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備（現(xiàn)場(chǎng)資產(chǎn)）上運(yùn)行的Web服務(wù)器訪問(wèn)，并最終推動(dòng)流程流和資產(chǎn)管理的改進(jìn)和優(yōu)化。

為了利用包含這些有價(jià)值的新見(jiàn)解的豐富數(shù)據(jù)集，需要更高帶寬的通信鏈路，以將這些新現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)集在整個(gè)過(guò)程安裝過(guò)程中傳送到工廠級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施或云進(jìn)行處理。Ethernet-APL 消除了對(duì)復(fù)雜、耗電網(wǎng)關(guān)的需求，并支持跨信息技術(shù) （IT） 和運(yùn)營(yíng)技術(shù) （OT） 領(lǐng)域的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。這種融合網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化了安裝，簡(jiǎn)化了設(shè)備更換，并加快了網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和配置。這樣可以加快軟件更新速度，并簡(jiǎn)化根本原因分析和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的維護(hù)。

以太網(wǎng) APL 解決方案的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)融合在以太網(wǎng)-APL，已經(jīng)消除了對(duì)昂貴、復(fù)雜和耗電網(wǎng)關(guān)的需求。這也實(shí)現(xiàn)了從極其分散的現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)設(shè)施的過(guò)渡，該基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)建了數(shù)據(jù)孤島，其中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備中的數(shù)據(jù)的訪問(wèn)受到限制。通過(guò)刪除這些網(wǎng)關(guān)，這些舊安裝的成本和復(fù)雜性顯著降低，并消除了它們創(chuàng)建的數(shù)據(jù)孤島。

迄今為止，過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用一直使用傳統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，新的10BASE-T1L以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)克服了這些標(biāo)準(zhǔn)所克服的幾個(gè)限制。10BASE-T1L提供了重復(fù)使用一些現(xiàn)有已安裝電纜的潛力，為基于10BASE-T1L物理層的以太網(wǎng)APL的過(guò)程自動(dòng)化裝置的棕地升級(jí)創(chuàng)造了重要機(jī)會(huì)。

要與支持 Ethernet-APL 的設(shè)備通信，需要具有集成介質(zhì)訪問(wèn)控制 （MAC） 的主機(jī)處理器或具有 10BASE-T1L 端口的以太網(wǎng)交換機(jī)。

以太網(wǎng) APL 布線和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有定義特定的傳輸介質(zhì)（電纜），而是定義了通道模型（回波損耗和插入損耗要求）。通道型號(hào)非常適合目前已經(jīng)用于 PROFIBUS PA 和基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)總線 A 型電纜;因此，一些已安裝的 4 mA 至 20 mA 電纜可能會(huì)與以太網(wǎng) APL 重復(fù)使用。與更復(fù)雜的布線相比，單雙絞線布線具有成本更低、尺寸更小且更易于安裝的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)以太網(wǎng) APL 的建議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，稱為中繼和雜散網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹８删€電纜的長(zhǎng)度可達(dá) 1 km，PHY 峰值幅度為 2.4 V，位于 1 區(qū) 2 分區(qū)。支線長(zhǎng)度可達(dá) 200 m，PHY 振幅峰值為 1.0 V，位于 0 區(qū) 1 分區(qū)。電源開(kāi)關(guān)位于控制層，提供以太網(wǎng)交換機(jī)功能并為電纜供電（通過(guò)數(shù)據(jù)線）?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)位于危險(xiǎn)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)別，由電纜供電。現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)提供以太網(wǎng)交換機(jī)功能，連接雜散上的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備，以連接到中繼并將電源傳遞給現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備。

多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)連接在干線電纜上，以提供大量要連接到網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備。

新的以太網(wǎng)-APL 設(shè)備創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)

Ethernet-APL將實(shí)現(xiàn)向無(wú)縫現(xiàn)場(chǎng)到云連接的過(guò)程自動(dòng)化安裝的過(guò)渡，包括食品和飲料、制藥以及石油和天然氣裝置的危險(xiǎn)場(chǎng)所。由于可用的功率顯著提高，因此可以支持具有增強(qiáng)特性和功能的新型以太網(wǎng)APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這些新設(shè)備將通過(guò)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析解鎖豐富的云計(jì)算數(shù)據(jù)集，并通過(guò)可操作的見(jiàn)解推動(dòng)流程優(yōu)化?，F(xiàn)在，流程工業(yè)的新商業(yè)模式將成為可能，以提供更復(fù)雜的流程制造流程，并從現(xiàn)有的新見(jiàn)解中創(chuàng)造價(jià)值。

目前有哪些解決方案

ADI擴(kuò)展了其ADI Chronous?產(chǎn)品組合包括新產(chǎn)品，為支持以太網(wǎng)APL的過(guò)程自動(dòng)化帶來(lái)長(zhǎng)距離、強(qiáng)大的10BASE-T1L以太網(wǎng)連接。新的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案提供兩種靈活的選項(xiàng)：MAC PHY （ADIN1110） 和 PHY （ADIN1100）。ADIN1110支持業(yè)界功耗最低的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)儀表、傳感器或執(zhí)行器中的以太網(wǎng)改造，并保留了軟件和處理器技術(shù)的現(xiàn)有投資。ADI獨(dú)特的MAC-PHY技術(shù)為沒(méi)有集成MAC的超低功耗處理器提供SPI接口，從而降低整體系統(tǒng)功耗。ADIN1100提供標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，支持用于更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，如現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)開(kāi)發(fā)。ADI公司的ADIN1100和ADIN1110 10BASE-T1L解決方案可通過(guò)1.7公里的單雙絞線電纜傳輸數(shù)據(jù)，功耗分別為39 mW和43 mW。單對(duì)以太網(wǎng)供電 （SPoE） 或工程電源解決方案與 10BASE-T1L PHY 或 MAC-PHY 相結(jié)合，通過(guò)單根雙絞線電纜提供電源和數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷