本文首先回顧了多種信息傳輸方式的改進方案，然后介紹了以太網高級物理層(Ethernet advanced physical layer，Ethernet-APL)引入控制系統的進程、技術要點和優勢，最后綜述了Ethernet-APL技術在控制系統的應用發展及展望。
1、通信技術概述
針對控制系統早期一對一的布線方式，先后出現了遠程I/O、4-20mA+可導址遠程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer，HART)、現場總線和無線等解決方案。
1.1 遠程I/O通信技術
在20世紀80年代中期，國外一些非主流控制系統的廠家研制出數據采集系統，如英國施倫伯杰(Schlumberger)公司1986年在中國市場上推出了被稱為智能前端的數據采集器(isolated messurement pod，IMP)。IMP的每個智能前端可采集10-20個信號(信號類別有電流輸入、電壓輸入、鉑電阻輸入、開關量輸入等)。多塊IMP智能前端以并聯方式通過1根總長可達1500m的雙芯雙絞S-網絡屏蔽電纜，將所有現場設備的信號傳送到控制室。這就是早期的遠程I/O。
霍尼韋爾公司TDC-3000系統中的過程管理站(process managerg，PM)可以通過I/O接口處理器連接遠程I/O。橫河公司的CENTUM-CS控制系統可以通過AIP221外部I/O接口主單元連接遠程I/O。通常，遠程I/O的輸出是以芯數非常少的專用電纜替代多芯電纜，所以遠程I/O布線方式遠比傳統布線方式簡單。但這個時期的遠程I/O廠家都采用自己的通信標準，通常不能跨系統使用。
1.2 4-20mA+HART通信技術
HART協議是美國羅斯蒙特公司(Rosemount，現為艾默生過程管理公司的子公司)于1986年推出的1種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。HART協議是將調制后的正弦信號疊加在4-20mA的模擬信號上，增加了數字通信。除了主要變量采用4-20mA模擬信號傳送以外，其他有關測量、過程參數、設備組態、校準、診斷等信息可通過HART協議訪問。所以HART協議是4-20mA模擬信號與數字通信相兼容的標準，是從模擬控制系統向現場總線過渡的產品。
HART可以說是近40多年來頗受業界信任的通信協議。但遺憾的是，大多數4-20mA+HART設備擁有的數字通信數據未能傳送到控制系統，或者未能充分利用。
1.3 現場總線通信技術
現場總線Fieldbus技術于20世紀80年代末、90年代初開發，是用于過程自動化等領域的現場智能設備互連通信網絡。現場總線作為工廠數字通信網絡的基礎，接通了生產過程現場與控制設備之間及與更高控制管理層次之間的聯系。基金會現場總線(Foundation Fieldbus，FF)儀表需通過H1網卡接入控制系統。PROFIBUS-PA現場總線儀表需通過DP/PA耦合器與PROFIBUS-DP總線連接，再接入控制系統。
現場總線不僅是1個底層網絡，還是1種開放式、新型全分布式控制系統。但現場總線的成本高、速率低、支持應用有限等缺陷，再加上無法統一的數十個總線標準的無序競爭、不同總線標準產品的互聯復雜，使現場總線的發展受到一定限制。
1.4 無線通信技術
作為無需布線的通信方式，無線通信技術具有節省電纜、簡化安裝、提高信息可用性的優點。但受電源能量制約，刷新率低限制了無線通信在控制回路等場合的應用；功率低限制了無線通信參數檢測的應用。所以無線通信技術只是對4-20mA+HART、現場總線技術的補充。
1.5 以太網通信技術
以太網是世界上普遍應用的計算機網絡。交換式以太網的核心是1個交換機，包含1塊連接多個端口的高速背板。每個端口都有1個標準連接器，用于連接雙絞線。通過簡單的插入或者拔出電纜就能完成添加或者刪除1臺設備，且端口及電纜的故障通常只影響到1臺設備。因此，大多數故障都很容易被發現。
以往以太網技術僅在工廠自動化金字塔的更高層次上使用，而很少應用在現場層次上。創新的Ethernet-APL技術基于2019年11月7日批準的10BASE-T1L(IEEE 802.3cg- 2019)以太網物理層標準。該標準提供了到現場的單根雙芯電纜的以太網連接，主要用于將現場設備(傳感器和執行器)連接到控制網絡。而IEC TS60079-47關于雙線本質安全以太網的技術規范，規定了Ethernet-APL在危險場所實施的防爆方法。
Ethernet-APL直接促成了跨行業的信息技術(information technolgy，IT)/運營技術(operation technology，OT)的網絡融合。Ethernet-APL技術實現了在集成了Ethernet-APL的設備上自由實施多種協議的功能，使從現場級到云端的信息傳輸量增加、速度提升。
以太網連線電纜默認設置8根線(如千兆網)，但傳輸速率達10MB/s的以太網實際上只會用到其中的4根線。而Ethernet-APL只用2根線就可以了，所以其被稱為“兩線以太網”。
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的開發進程
2.1 支持單位
早在2015年，幾個廠商曾展示了過程工廠Ethernet-APL技術架構的概念。2018年，主要流程工業供應商簽署了1項開發Ethernet-APL技術的協議(即“APL項目”)。這項工作得到了領先的行業標準開發組織(Standards Development Organization，SDO)國際現場通信集團、開放設備網路供應商協會(Open Device Net Vender Association，ODVA)、對象鏈接與嵌入的過程控制(object linking and embedding for process，OPC)基金會和PROFIBUS及PROFINET國際組織等機構的支持，同時也得到ABB、艾默生、E+H、科隆、菲尼克斯電氣、羅克韋爾、倍加福、薩姆森、西門子、斯塔爾、威格和橫河這12家自動化廠商的支持。這12家自動化廠商中除了一些知名的控制系統和儀器儀表廠商以外，還有幾個是以網絡設備見長的制造商，如斯塔爾、倍加福。
2.2 NAMUR建議
國際過程工業自動化用戶協會(NAMUR)收到“APL項目”關于過程自動化的以太網解決方案的討論稿后，于2018年11月22日制定了“NAMUR NE168現場級以太網通信系統的要求”建議。建議涵蓋了基于以太網通信系統的所有方面(如物理層、協議等)以及作為此類系統一部分的所有組件和設備(如DCS、SIS、現場設備等)，重點關注流程工業的經典現場設備。這包括模擬信號(如壓力、溫度、液位、流量、閥門定位器等)以及二進制信號(如觸點、限位開關、電磁閥等)。在現有現場總線系統的經驗以及流程工業具體要求的基礎上，建議要求制造商為流程工業開發1種易于使用的以太網通信系統。為了避免終端用戶當前應用現場總線面臨的一些問題，擴大最終用戶對Ethernet-APL技術的接受度是關鍵。“APL項目”重視并采納建議中列出的上述要求，從而為進一步的工作奠定了基礎。
2.3 與標準化組織合作
“APL項目”在早期階段與電氣和電子工程師協會(IEEE)標準化組織合作，由標準化組織指定1個單獨的物理層，開發1種無縫融入標準化以太網的解決方案，以滿足流程自動化的要求。2019年11月，10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019技術方案獲得批準后，Ethernet-APL采用了嵌入IEEE 802.3cg-2019系列的標準化解決方案。該方案實現了以太網物理層標準的擴展。另外1項合作是“APL項目”采用雙線本質安全以太網2- WISE解決方案。該方案列入了IEC TS60079-47技術規范。這是爆炸性環境的第47部分。2-WISE用于雙線本質安全以太網保護設備的概念，確保了不再需要在防爆區域進行廣泛的驗證工作。
2.4 產品測試
目前，位于德國路德維希港的巴斯夫化工廠仍然使用傳統的4-20mA模擬技術。在數字化過程中，化工廠工作人員越來越明顯地感覺到，利用模擬技術無法獲得更多信息，尤其是來自設備的診斷信息。而隨著化工廠安全裝置的數量不斷增加，與安全相關的要求和約束越來越多。所以化工廠希望數字化解決方案提供更多來自設備的診斷信息，使生產管理具有更高的靈活性。在第一次實踐評估中，巴斯夫化工廠的Ethernet-APL實驗室安裝了來自不同制造商的Ethernet-APL技術產品和不同的拓撲結構，并進行了幾個月的測試。通過測試，確認了Ethernet-APL技術具有以下優點：安裝簡單靈活；與DCS的集成簡單；與以太網通信穩定快速；流程的可用性高；設備轉換即插即用；可從過程控制系統并行的第二通道智能儀表中提取數據。
2.5 Ethernet-APL技術正式發布
2021年6月，“APL項目”負責人發布聲明，正式推出Ethernet-APL并發布技術規格、工程指南和一致性測試計劃。最終用戶可以從供應商處獲得第一批產品，如倍加福公司Ethernet-APL技術的24點現場交換機和ABB公司基于OPC UA的APL激光液位變送器。
3、Ethernet-APL技術
3.1 以太網的協議棧
工業4.0要求企業向數字化轉型。由于現場總線技術涉及的各類儀表信號的帶寬窄、傳輸速率低、多重協議轉換困難等問題，其在支持企業數字化方面的功能受到限制。以太網目前僅在工廠自動化的管理層使用，而很少應用在現場層。而Ethernet-APL所要做的就是將以太網協議延伸到現場。與許多其他協議一樣，以太網通信協議使用國際標準化組織(International Organization for Standardization， ISO)/開放系統互聯(open system interconnection， OSI)模型協議棧的分層方法。以太網的ISO/OSI協議棧如圖2所示。
圖2 以太網的ISO/OSI協議棧
分層方法允許更改協議棧部分，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、數據速率和連接器。物理層可以使用不同的形式，例如快速以太網、千兆以太網等。而Ethernet-APL是眾多物理層之一，能滿足自動化領域的特殊需求。Ethernet-APL又可以與其他物理層并行使用，并且不會影響協議棧上面各層。
“APL項目”的主要目標之一是開發1種無縫融入標準化以太網的解決方案。2019年底，10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019技術方案獲得批準后，Ethernet-APL采用了基于該方案的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議。Ethernet- APL通過對物理層進行調整，滿足了過程相關工廠可靠運行的要求，并制定了以太網通信在過程工業傳感器和執行器上的應用細節(如規定了在危險場所使用的實施方法)。這使得在危險過程自動化設施中部署高速、支持以太網的儀表設備方面又邁出了一大步。
3.2 Ethernet-APL的體系結構
Ethernet- APL用于過程自動化的體系結構。Ethernet-APL拓撲結構如圖3所示。
圖3 Ethernet- APL拓撲結構
位于云端的企業經營管理系統和提供信息的過程控制系統(通常為PLC或DCS)仍為企業常見的系統，只是在向控制系統提供與生產現場聯系信息時增加了作為Ethernet-APL設備的高級物理層(advanced physical layer，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以太網與控制系統相連，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， 并可以通過電纜連接器進行多次擴展。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支線已通過本質安全性驗證，可用于Ex ia或Ex ic等有防爆要求的區域，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傳輸數據和電源。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)帶Ethernet-APL接口，支持Ethernet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或其他更高級別協議。APL現場設備可通過支線連接到APL現場交換機的端口上，從而實現Ethernet-APL通信。
4、Ethernet-APL技術優勢
Ethernet-APL的技術優勢包括高通信速率、現場儀表大功率供電、長距離布線和危險區域安裝等。
4.1 高通信速率
通信速率與帶寬相關。帶寬代表通信線路所能傳送數據的能力。4-20mA+HART的帶寬為1.2kbit/s，現場總線的帶寬為31.25kbit/s。Ethernet-APL技術采用的10BASE-T1L以太網物理層標準為10kbit/s。Ethernet-APL的帶寬約為4-20mA+HART的8000多倍、現場總線的300多倍，屬于高速數據傳輸，優勢非常明顯。這相當于將信息傳輸高速通道延伸至現場儀表。這也意味著在Ethernet-APL網絡可以承載更多的數據、容納更多的設備、支持具有更高帶寬要求的其他類型的設備。以4-20mA+HART設備為例，在1.2 kbit/s速率下，如果每臺設備調試需要5min， 則調試完500臺設備需要2500min或41h。而采用Ethernet-APL技術能以10Mbit/s的速率在30s內調試完500臺設備。
4.2 現場儀表大功率供電
Ethernet-APL技術采用兩芯電纜，既傳送信息又為現場儀表設備供電。這與4-20mA儀表(包括4-20mA+HART的智能儀表)、現場總線儀表是一致的。4-20mA系統提供的功率約為36mW。現場總線的功率極其有限。無線現場儀表由鋰電池供電，更是功率受限。而Ethernet-APL在防爆應用中能夠為多達50個現場設備供電。每個設備的功率高達500mW，在非防爆應用中能提供60W的功率。這大大提升了設備功率，意味著更多設備、更多功能能夠得以啟用。可用功率的限制一直是現場儀表多種應用技術發展的掣肘。如在ISA100.11a的無線變送器中，無線機械振動變送器、無線視頻傳送等對傳送信息量要求較高的設備就不適宜采用ISA100.11a無線標準協議傳送，而需要通過回傳網絡的Wi-Fi協議傳送。而諸如科里奧利流量計、pH變送器、雷達液位計等儀表有更多的數據信息需要共享，維護和數據分析等更高級別的功能也需要這些數據信息。這些都需要通過Ethernet-APL技術，以提升測量的性能、增強數據分析處理的能力。APL現場儀表的采樣時間在10-2000ms之間，與目前無線技術指標500ms-60min相比提高了近2個數量級，甚至達到了快速開關量采樣時間的要求。
4.3 長距離布線
目前，過程自動化應用中的現場級設備和控制系統之間的物理距離一般在數百米這個數量級。Ethernet-APL技術可將主干線之間每段通信距離拉長到1000m、連接每臺現場設備的支線距離拉長到200m， 從而將現場級設備和控制系統之間的物理距離延長到1000m甚至更遠。
Ethernet-APL技術的10BASE-T1L標準沒有定義特定的傳輸介質(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，當由現場總線轉換成Ethernet-APL時，原有的A型電纜可以重復使用。與更復雜的電纜相比，單根雙絞線電纜成本更低、尺寸更小并且更易于安裝。
4.4 危險區域安裝
Ethernet-APL支持2種電壓峰值模式，分別是1000m線纜的2.4V峰值和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域中安裝使用。HART-IP和Profinet， 以及Ethernet/IP和其他工業以太網變體，都不被允許在危險區域使用。而目前支持上述工業以太網變體的Ethernet-APL設備都可以進入危險區域。
5、Ethernet-APL技術應用發展及展望
Ethernet-APL技術是多個標準開發組織和供應商之間高水平合作的產物。Ethernet-APL面向過程自動化，是未來工控領域的底層通信基礎。這項技術已經得到廣泛的關注和認可，符合未來的發展趨勢。目前，在以太網上運行的任何協議都可以通過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區域之外的工業以太網變體。Ethernet-APL可以為用戶在性能、安全和靈活方面提供更多支持。由于目前大多數控制系統支持HART-IP、OPC UA、Profinet和Ethernet/IP，采用Ethernet-APL與這些協議配合使用將非常簡單。
由于直接消除了網關或其他協議轉換器，再加上控制系統的I/O離開控制室下沉到現場，采用光纖以太網傳輸節省了大量的銅電纜。與傳統的4-20mA+HART、現場總線等解決方案相比，Ethernet-APL將大大降低復雜性和成本，并提高可用性和穩健性。
盡管Ethernet-APL技術2021年才正式發布，但已經有一些大型企業準備采用。如計劃于2025年建成的巴斯夫湛江一體化項目。該項目包括年產100萬噸乙烯裝置(含蒸汽裂解裝置、裂解汽油加氫裝置、芳烴抽提裝置)、66/90萬噸/年的環氧乙烷/乙二醇裝置以及數個面向消費市場的產品和解決方案生產裝置。由于巴斯夫已經于數年前在德國路德維希港的巴斯夫化工廠進行過Ethernet-APL的產品測試，所以巴斯夫湛江一體化項目選用的方案是DCS+APL現場交換機。項目要求現場儀表必須是Profibus-PA協議的智能儀表，PA儀表接入APL現場交換機，再通過冗余環網和Profinet協議接入機柜室交換機網絡。此外，APL現場交換機應留有未來升級到APL儀表設備的預留接口。
國內的中控技術股份有限公司在20世紀初制定基于工廠自動化的以太網(Ethernet for plant automation， EPA)現場總線國際標準中就采用了實時以太網技術，在2021年又開始布局Ethernet-APL技術。在中控Ethernet-APL產業規劃的引領下，中控現在已經開發了和即將開發多類Ethernet-APL技術產品。這些產品包括：APL壓力變送器；APL溫度變送器；12點現場交換機，可接收無線信號、Profibus-PA、常規儀表、開關量信號和冗余配置；8口、16口的電源交換機；1對1的電源交換機。有了國內廠家提供Ethernet-APL技術及其產品，我國Ethernet-APL產品的推出和應用是有可能進入世界先進行列的。
6、結論
Ethernet-APL技術的概念于2015年提出。2018年，主要流程工業供應商簽署了開發Ethernet-APL技術協議的“APL項目”。2021年Ethernet-APL技術才正式推出并發布規格、工程指南和一致性測試計劃。2022年，多個廠家將推出完整的系列產品，一些應用試點已經或即將投入運行。目前，相關單位正在制定下一代儀表的技術標準，其物理層就是Ethernet-APL，并將給出支持不同總線協議的定義。
總之，Ethernet-APL對自動化行業目前占主流地位的4-20mA+HART、現場總線等技術構成挑戰，是一項頗具潛力的新技術。Ethernet-APL技術的應用前景是非常值得期待的。
作者：方源柏
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