控制系统以太网高级物理层应用综述

方原柏

(昆明仪器仪表学会，云南 昆明 650228)

0 引言

中大型生产装置出现后，生产过程要求集中显示、集中操作，从而诞生了分布式控制系统(distributed control system，DCS)、可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)等控制系统。在20世纪80年代以前，从生产现场得到的各类信息均通过一对一的布线方式引到控制室。这不仅需安装大量的电缆、桥架，耗费时间和人力，而且传送的信息单一(如温度变送器仅能传送温度等)，传送途中要经多处转接(如现场接线箱、配线柜、输入/输出(input/output，I/O)模件等)，存在潜在故障点多、查找困难的问题。因此，众多信息传输方式的改进方案被先后提出，以提高信息传输效率、降低信息传输费用。

本文首先回顾了多种信息传输方式的改进方案，然后介绍了以太网高级物理层(Ethernet advanced physical layer，Ethernet-APL)引入控制系统的进程、技术要点和优势，最后综述了Ethernet-APL技术在控制系统的应用发展及展望。

1 通信技术概述

针对控制系统早期一对一的布线方式，先后出现了远程I/O、4～20 mA+可导址远程传感器高速通道(highway addressable remote transducer,HART)、现场总线和无线等解决方案。

1.1 远程I/O通信技术

在20世纪80年代中期，国外一些非主流控制系统的厂家研制出数据采集系统，如英国施伦伯杰(Schlumberger)公司1986年在中国市场上推出了被称为智能前端的数据采集器(isolated messurement pod,IMP)。IMP的每个智能前端可采集10～20个信号(信号类别有电流输入、电压输入、铂电阻输入、开关量输入等)。多块IMP智能前端以并联方式通过1根总长可达1 500 m的双芯双绞S-网络屏蔽电缆，将所有现场设备的信号传送到控制室。这就是早期的远程I/O。 IMP数据采集系统如图1所示。

图1 IMP数据采集系统示意图Fig.1 Schmatic diagram of IMP data acquisition system

霍尼韦尔公司TDC-3000系统中的过程管理站(process managerg,PM)可以通过I/O接口处理器连接远程I/O。横河公司的CENTUM-CS控制系统可以通过AIP221外部I/O接口主单元连接远程I/O。通常，远程I/O的输出是以芯数非常少的专用电缆替代多芯电缆，所以远程I/O布线方式远比传统布线方式简单。但这个时期的远程I/O厂家都采用自己的通信标准，通常不能跨系统使用。

1.2 4～20 mA+HART通信技术

HART协议是美国罗斯蒙特公司(Rosemount，现为艾默生过程管理公司的子公司)于1986年推出的1种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART协议是将调制后的正弦信号叠加在4～20 mA的模拟信号上，增加了数字通信。除了主要变量采用4～20 mA模拟信号传送以外，其他有关测量、过程参数、设备组态、校准、诊断等信息可通过HART协议访问。所以HART协议是4～20 mA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产品。

HART可以说是近40多年来颇受业界信任的通信协议。但遗憾的是，大多数4～20 mA+HART设备拥有的数字通信数据未能传送到控制系统，或者未能充分利用。

1.3 现场总线通信技术

现场总线Fieldbus技术于20世纪80年代末、90年代初开发，是用于过程自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。现场总线作为工厂数字通信网络的基础，接通了生产过程现场与控制设备之间及与更高控制管理层次之间的联系。基金会现场总线(Foundation Fieldbus，FF)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PROFIBUS-DP总线连接，再接入控制系统。

现场总线不仅是1个底层网络，还是1种开放式、新型全分布式控制系统。但现场总线的成本高、速率低、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、不同总线标准产品的互联复杂，使现场总线的发展受到一定限制。

1.4 无线通信技术

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、提高信息可用性的优点。但受电源能量制约，刷新率低限制了无线通信在控制回路等场合的应用；功率低限制了无线通信参数检测的应用。所以无线通信技术只是对4～20 mA+HART、现场总线技术的补充。

1.5 以太网通信技术

以太网是世界上普遍应用的计算机网络。交换式以太网的核心是1个交换机，包含1块连接多个端口的高速背板。每个端口都有1个标准连接器，用于连接双绞电缆。通过简单的插入或者拔出电缆就能完成添加或者删除1台设备，且端口及电缆的故障通常只影响到1台设备。因此，大多数故障都很容易被发现。

以往以太网技术仅在工厂自动化金字塔的更高层次上使用，而很少应用在现场层次上。创新的Ethernet-APL技术基于2019年11月7日批准的10BASE-T1L(IEEE 802.3cg-2019)以太网物理层标准。该标准提供了到现场的单根双芯电缆的以太网连接，主要用于将现场设备(传感器和执行器)连接到控制网络。而IEC TS60079-47关于双线本质安全以太网的技术规范，规定了Ethernet-APL在危险场所实施的防爆方法。

Ethernet-APL直接促成了跨行业的信息技术(information technolgy,IT)/运营技术(operation technology,OT)的网络融合。Ethernet-APL技术实现了在集成了Ethernet-APL的设备上自由实施多种协议的功能，使从现场级到云端的信息传输量增加、速度提升。

以太网连线电缆默认设置8根线(如千兆网)，但传输速率达10 MB/s的以太网实际上只会用到其中的4根线。而Ethernet-APL只用2根线就可以了，所以其被称为“两线以太网”[1]。

信息传输方式的比较如表1所示。

表1 信息传输方式的比较

2 Ethernet-APL的开发进程

2.1 支持单位

早在2015年，几个厂商曾展示了过程工厂Ethernet-APL技术架构的概念。2018年，主要流程工业供应商签署了1项开发Ethernet-APL技术的协议(即“APL项目”)。这项工作得到了领先的行业标准开发组织(Standards Development Organization,SDO)国际现场通信集团、开放设备网路供应商协会(Open Device Net Vender Association,ODVA)、对象链接与嵌入的过程控制(object linking and embedding for process,OPC)基金会和PROFIBUS及PROFINET国际组织等机构的支持，同时也得到ABB、艾默生、E+H、科隆、菲尼克斯电气、罗克韦尔、倍加福、萨姆森、西门子、斯塔尔、威格和横河这12家自动化厂商的支持[2]。这12家自动化厂商中除了一些知名的控制系统和仪器仪表厂商以外，还有几个是以网络设备见长的制造商，如斯塔尔、倍加福。

2.2 NAMUR建议

国际过程工业自动化用户协会(NAMUR)收到“APL项目”关于过程自动化的以太网解决方案的讨论稿后，于2018年11月22日制定了“NAMUR NE168现场级以太网通信系统的要求”建议。建议涵盖了基于以太网通信系统的所有方面(如物理层、协议等)以及作为此类系统一部分的所有组件和设备(如DCS、SIS、现场设备等)，重点关注流程工业的经典现场设备。这包括模拟信号(如压力、温度、液位、流量、阀门定位器等)以及二进制信号(如触点、限位开关、电磁阀等)。在现有现场总线系统的经验以及流程工业具体要求的基础上，建议要求制造商为流程工业开发1种易于使用的以太网通信系统。为了避免终端用户当前应用现场总线面临的一些问题，扩大最终用户对Ethernet-APL技术的接受度是关键[3-4]。“APL项目”重视并采纳建议中列出的上述要求，从而为进一步的工作奠定了基础。

2.3 与标准化组织合作

“APL项目”在早期阶段与电气和电子工程师协会(IEEE)标准化组织合作，由标准化组织指定1个单独的物理层，开发1种无缝融入标准化以太网的解决方案，以满足流程自动化的要求。2019年11月，10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019技术方案获得批准后，Ethernet-APL采用了嵌入IEEE 802.3cg-2019系列的标准化解决方案。该方案实现了以太网物理层标准的扩展。另外1项合作是“APL项目”采用双线本质安全以太网2-WISE解决方案。该方案列入了IEC TS60079-47技术规范。这是爆炸性环境的第47部分。2-WISE用于双线本质安全以太网保护设备的概念，确保了不再需要在防爆区域进行广泛的验证工作[3-4]。

2.4 产品测试

目前，位于德国路德维希港的巴斯夫化工厂仍然使用传统的4～20 mA模拟技术。在数字化过程中，化工厂工作人员越来越明显地感觉到，利用模拟技术无法获得更多信息，尤其是来自设备的诊断信息。而随着化工厂安全装置的数量不断增加，与安全相关的要求和约束越来越多。所以化工厂希望数字化解决方案提供更多来自设备的诊断信息，使生产管理具有更高的灵活性。在第一次实践评估中，巴斯夫化工厂的Ethernet-APL实验室安装了来自不同制造商的Ethernet-APL技术产品和不同的拓扑结构，并进行了几个月的测试。通过测试，确认了Ethernet-APL技术具有以下优点：安装简单灵活；与DCS的集成简单；与以太网通信稳定快速；流程的可用性高；设备转换即插即用；可从过程控制系统并行的第二通道智能仪表中提取数据[3-5]。

2.5 Ethernet-APL技术正式发布

2021年6月，“APL项目”负责人发布声明，正式推出Ethernet-APL并发布技术规格、工程指南和一致性测试计划。最终用户可以从供应商处获得第一批产品，如倍加福公司Ethernet-APL技术的24点现场交换机[6]和ABB公司基于OPC UA的APL激光液位变送器[7]。

3 Ethernet-APL技术

3.1 以太网的协议栈

工业4.0要求企业向数字化转型。由于现场总线技术涉及的各类仪表信号的带宽窄、传输速率低、多重协议转换困难等问题，其在支持企业数字化方面的功能受到限制。以太网目前仅在工厂自动化的管理层使用，而很少应用在现场层。而Ethernet-APL所要做的就是将以太网协议延伸到现场。与许多其他协议一样，以太网通信协议使用国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)/开放系统互联(open system interconnection,OSI)模型协议栈的分层方法[5]。以太网的ISO/OSI协议栈如图2所示。

图2 以太网的ISO/OSI协议栈Fig.2 ISO/OSI protocol stack of Ethernet

分层方法允许更改协议栈部分，而保留其他部分。在图2中，物理层是最底层。物理层指定了传输介质、数据速率和连接器。物理层可以使用不同的形式，例如快速以太网、千兆以太网等。而Ethernet-APL是众多物理层之一，能满足自动化领域的特殊需求。Ethernet-APL又可以与其他物理层并行使用，并且不会影响协议栈上面各层。

“APL项目”的主要目标之一是开发1种无缝融入标准化以太网的解决方案。2019年底，10BASE-T1L的IEEE 802.3cg-2019技术方案获得批准后，Ethernet-APL采用了基于该方案的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，满足了过程相关工厂可靠运行的要求，并制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)。这使得在危险过程自动化设施中部署高速、支持以太网的仪表设备方面又迈出了一大步。

3.2 Ethernet-APL的体系结构

Ethernet-APL用于过程自动化的体系结构。Ethernet-APL拓扑结构如图3所示。

图3 Ethernet-APL拓扑结构Fig.3 Ethernet-APL topology structure

位于云端的企业经营管理系统和提供信息的过程控制系统(通常为PLC或DCS)仍为企业常见的系统，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设备的高级物理层(advanced physical layer,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1 000 m，并可以通过电缆连接器进行多次扩展。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200 m。APL支线已通过本质安全性验证，可用于Ex ia或Ex ic等有防爆要求的区域，如Zone2/Div.2、Zone1/Div.1、Zone0/Div.1。主干线、支线均可沿同一两线电缆同时传输数据和电源。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)带Ethernet-APL接口，支持Ethernet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或其他更高级别协议。APL现场设备可通过支线连接到APL现场交换机的端口上，从而实现Ethernet-APL通信[5]。

4 Ethernet-APL技术优势

Ethernet-APL的技术优势包括高通信速率、现场仪表大功率供电、长距离布线和危险区域安装等。

4.1 高通信速率

通信速率与带宽相关。带宽代表通信线路所能传送数据的能力。4～20 mA+HART的带宽为1.2 kbit/s，现场总线的带宽为31.25 kbit/s。Ethernet-APL技术采用的10BASE-T1L以太网物理层标准为10 kbit/s[8]。Ethernet-APL的带宽约为4～20 mA+HART的8 000多倍、现场总线的300多倍，属于高速数据传输，优势非常明显。这相当于将信息传输高速通道延伸至现场仪表。这也意味着在Ethernet-APL网络可以承载更多的数据、容纳更多的设备、支持具有更高带宽要求的其他类型的设备。以4～20 mA+HART设备为例，在1.2 kbit/s速率下，如果每台设备调试需要5 min，则调试完500台设备需要2 500 min或41 h。而采用Ethernet-APL技术能以10 Mbit/s的速率在30 s内调试完500台设备。

4.2 现场仪表大功率供电

Ethernet-APL技术采用两芯电缆，既传送信息又为现场仪表设备供电。这与4～20 mA仪表(包括4～20 mA+HART的智能仪表)、现场总线仪表是一致的。4～20 mA系统提供的功率约为36 mW。现场总线的功率极其有限。无线现场仪表由锂电池供电，更是功率受限。而Ethernet-APL在防爆应用中能够为多达50个现场设备供电。每个设备的功率高达500 mW，在非防爆应用中能提供60 W的功率。这大大提升了设备功率，意味着更多设备、更多功能能够得以启用。可用功率的限制一直是现场仪表多种应用技术发展的掣肘。如在ISA100.11a的无线变送器中，无线机械振动变送器、无线视频传送等对传送信息量要求较高的设备就不适宜采用ISA100.11a无线标准协议传送，而需要通过回传网络的Wi-Fi协议传送。而诸如科里奥利流量计、pH变送器、雷达液位计等仪表有更多的数据信息需要共享，维护和数据分析等更高级别的功能也需要这些数据信息。这些都需要通过Ethernet-APL技术，以提升测量的性能、增强数据分析处理的能力。APL现场仪表的采样时间在10～2 000 ms之间，与目前无线技术指标500 ms～60 min相比提高了近2个数量级，甚至达到了快速开关量采样时间的要求。

4.3 长距离布线

目前，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在数百米这个数量级。Ethernet-APL技术可将主干线之间每段通信距离拉长到1 000 m、连接每台现场设备的支线距离拉长到200 m，从而将现场级设备和控制系统之间的物理距离延长到1 000 m甚至更远。Ethernet-APL技术的10BASE-T1L标准没有定义特定的传输介质(电缆)，而是定义了信道模型，并提出回波损耗和插入损耗要求。该信道模型与目前已用于PROFIBUS-PA和FF的A型电缆非常匹配。因此，当由现场总线转换成Ethernet-APL时，原有的A型电缆可以重复使用。与更复杂的电缆相比，单根双绞线电缆成本更低、尺寸更小并且更易于安装。

4.4 危险区域安装

Ethernet-APL支持2种电压峰值模式，分别是1 000 m线缆的2.4 V峰值和200 m距离的1.0 V峰值。1.0 V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。HART-IP和Profinet，以及Ethernet/IP和其他工业以太网变体，都不被允许在危险区域使用。而目前支持上述工业以太网变体的Ethernet-APL设备都可以进入危险区域。

5 Ethernet-APL技术应用发展及展望

Ethernet-APL技术是多个标准开发组织和供应商之间高水平合作的产物。Ethernet-APL面向过程自动化，是未来工控领域的底层通信基础。这项技术已经得到广泛的关注和认可，符合未来的发展趋势。目前，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、OPC UA、Profinet、Ethernet/IP和其他通常被排除在危险区域之外的工业以太网变体。Ethernet-APL可以为用户在性能、安全和灵活方面提供更多支持。由于目前大多数控制系统支持HART-IP、OPC UA、Profinet和Ethernet/IP，采用Ethernet-APL与这些协议配合使用将非常简单。

由于直接消除了网关或其他协议转换器，再加上控制系统的I/O离开控制室下沉到现场，采用光纤以太网传输节省了大量的铜电缆。与传统的4～20 mA+HART、现场总线等解决方案相比，Ethernet-APL将大大降低复杂性和成本，并提高可用性和稳健性。

尽管Ethernet-APL技术2021年才正式发布，但已经有一些大型企业准备采用。如计划于2025年建成的巴斯夫湛江一体化项目。该项目包括年产100万吨乙烯装置(含蒸汽裂解装置、裂解汽油加氢装置、芳烃抽提装置)、66/90 万吨/年的环氧乙烷/乙二醇装置以及数个面向消费市场的产品和解决方案生产装置。由于巴斯夫已经于数年前在德国路德维希港的巴斯夫化工厂进行过Ethernet-APL的产品测试，所以巴斯夫湛江一体化项目选用的方案是DCS+APL现场交换机。项目要求现场仪表必须是Profibus-PA协议的智能仪表，PA仪表接入APL现场交换机，再通过冗余环网和Profinet协议接入机柜室交换机网络。此外，APL现场交换机应留有未来升级到APL仪表设备的预留接口。

国内的中控技术股份有限公司在20世纪初制定基于工厂自动化的以太网(Ethernet for plant automation,EPA)现场总线国际标准中就采用了实时以太网技术，在2021年又开始布局Ethernet-APL技术。在中控Ethernet-APL产业规划的引领下，中控现在已经开发了和即将开发多类Ethernet-APL技术产品。这些产品包括：APL压力变送器；APL温度变送器；12点现场交换机，可接收无线信号、Profibus-PA、常规仪表、开关量信号和冗余配置；8口、16口的电源交换机；1对1的电源交换机。有了国内厂家提供Ethernet-APL技术及其产品，我国Ethernet-APL产品的推出和应用是有可能进入世界先进行列的。

6 结论

Ethernet-APL技术的概念于2015年提出。2018年，主要流程工业供应商签署了开发Ethernet-APL技术协议的“APL项目”。2021年Ethernet-APL技术才正式推出并发布规格、工程指南和一致性测试计划。2022年，多个厂家将推出完整的系列产品，一些应用试点已经或即将投入运行。目前，相关单位正在制定下一代仪表的技术标准，其物理层就是Ethernet-APL，并将给出支持不同总线协议的定义。

总之，Ethernet-APL对自动化行业目前占主流地位的4～20 mA+HART、现场总线等技术构成挑战，是一项颇具潜力的新技术。Ethernet-APL技术的应用前景是非常值得期待的。