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要革4-20mA、HART和现场总线的命?Ethernet-APL快来了解一下!

作者:www.cechina.cn2021.10.12阅读 2426


  随着Ethernet-APL(先进物理层以太网)的正式推出,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又向前迈进了一大步。Ethernet-APL是一种新型双绞线本质安全(IS)物理层,适用于要求苛刻的过程自动化应用。

  Ethernet-APL的优点包括大幅提高通信速度、覆盖危险区域、为现场仪表供电和长电缆运行。领先的标准开发组织FieldComm Group、ODVA、OPC Foundation和Profibus & Profinet International (PI),以及12个主要的工业项目合作伙伴,在过去3年里在 "APL项目 "下成功合作,为现场仪表创建了这个新的物理层解决方案。根据该项目负责人发布的新闻声明,随着APL项目在6月份发布规格、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。
  Ethernet-APL是基于10BASET-1L标准的单对以太网(SPE)规范的扩展,它可以支持所有高阶以太网通信协议。通过对物理层进行调整,满足工艺相关装置可靠运行所需的要求。这些要求包括高速、基于以太网的通信、在潜在爆炸区域的安全操作,以及安装长达1000 m的长电缆的能力。
  “我们非常高兴发布精心编制的技术规范和工程指南,使Ethernet-APL技术有助于改变过程工厂领域。” APL指导委员会主席J?rg H?hniche博士说道, “APL项目中跨多个标准开发和供应商组织的高水平合作,形成了一个面向未来的以太网物理层,可用于过程自动化。这项技术的推出是一个关键的进展标志,现在开发之旅将继续进行,重要的行业合作伙伴正在开发相关产品。”

支持Ethernet-APL的行业供应商

支持Ethernet-APL的标准组织

  APL项目定义了端口配置文件,以创建Ethernet-APL概念,适用于有或无危险区域保护的多功率级别。Ethernet-APL端口配置文件,包括电源等级、屏蔽连接选项和段长度,已最终确定。装置和仪表上的标记将指示功率水平和作为源或陷的功能。这将为从工程到操作和维护的互操作性提供一个简单的框架。规划和安装的工程指南和最佳实践也已完成,并可在工程指令文件中获得,旨在支持用户使用Ethernet-APL设计和调试网络。这些指南应有助于促进向行业从业人员传授知识。
  多协议支持 
  作为单个物理层,Ethernet-APL将能够支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC UA、Profinet或任何其他更高级别的网络协议。作为APL项目一部分的主要标准开发组织正在开展活动,以最终确定一致性测试。目前发布的测试规范旨在确保产品质量,并验证产品是否符合APL端口配置文件规范中定义的参数。
  APL项目团队还与半导体制造商合作,为Ethernet-APL提供10BASE-T1L物理所需的芯片。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。在7月15-16日的ACHEMA Pulse期间,在德国卡尔斯鲁厄举行的多厂商演示,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。
  随着Ethernet-APL的推出,用户现在可以期待一个单一的以太网物理层,它将实现长电缆覆盖、内在安全和应用级协议支持,以实现最大的生产力和产出。产品将很快在市场上推出,并获得一致性测试认证。
  熟悉的拓扑结构 
  Ethernet-APL旨在支持主干和支线安装以及冗余概念,类似于之前的现场总线选项。定义了两种一般类型的网段:主干线,在1000 m的距离内传输高级电源和数据;支线,在200 m的距离内传输电源和信号,具有可选本质安全性。固定中继的是APL电源交换机,每个交换机为多达50台设备提供高达60 W的电源和通信。依次锚定每个支线的是一个APL现场开关,该开关为现场设备本身提供IS电源和通信。
  IEC 61158 A类屏蔽双绞线电缆的Ethernet-APL要求也符合既定的现场总线实践,新发布的工程指南包括帮助为给定APL应用选择正确的布线。
  Pepperl+Fuchs公司负责组件和技术的执行副总裁Michael Kessler指出:“由于现场总线电缆的设计容量为31.250 kB,因此并非所有现有电缆都能在整个电缆长度上用于APL。“因此,APL端口配置文件规范定义了支持50 m/250 m、100 m/500 m、150 m/750 m和200 m/1000 m的支线/干线电缆长度的不同类别。制造商必须按此分类指定其电缆。
  “从一开始,APL就要求能够重用现有的单双绞线现场总线布线,因为这涉及到高昂的安装成本,”PI北美执行董事Michael Bowne说,“例如,Profibus PA使用的A型电缆对于APL应该可以正常工作。”
  “但无论是绿地还是棕地项目,我们强烈建议用户在安装过程中进行网络基础设施基线测试,”Bowne补充道,“这涉及到确保所有接线按预期运行。可从不同制造商处获得电缆测试仪,用于验证电缆完整性和电气性能。只要接线符合规定的电阻、电感和电容额定值,用户就可以放心使用。如果出现错误,对初始网络基础设施的信心也有助于缓解未来的担忧。”

主干上交换机之间的长电缆可达1000米的拓扑示例

  迁移和采用
  与旨在取代“完美”操作设备和根深蒂固的工作实践的任何新技术一样,采用 APL可能需要时间来积聚动力,即使是最引人注目的价值主张。
  “在目前使用基金会现场总线和 Profibus PA 的地方,我们不相信最终用户会开始为了安装 APL 而拆掉现场仪表,”FieldComm Group 营销总监 Paul Sereiko 补充道,“我们怀疑炼油厂在现有资产报废之前是否会考虑升级。早期采用者更有可能用于更灵活的过程应用,例如生命科学、食品和饮料行业。”
  “当今在以太网上运行的任何协议都可以通过Ethernet-APL使用。”艾默生流量变送器营销经理兼工作组代表 Andy Kravitz 指出。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 HART、Profibus PA 和基金会现场总线)的设备进行通信。”
  “最初,我们希望客户继续根据舒适度、成本和性能做出决策,”Kravitz继续说道。“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。”
  "基金会现场总线和Profibus PA可能在 APL面前最先败下阵来,"横河公司在APL工作组的代表Taro Endoh预测说,"带有工业以太网协议的APL将首先取代传统的数字协议,然后在不远的将来取代4-20mA和HART。"
  但Pepperl+Fuchs公司的Kessler表示,APL与当前的现场总线协议不一定是全有或全无的命题。“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工厂迁移到基于Ethernet-APL的基础设施非常重要。在未来几年内,现有的基金会现场总线或Profibus PA仪器可能会用Ethernet-APL接口来填补仪器功能缺失的空白。
  值得注意的是,非现场总线、模拟和HART市场目前也是最大的——无论从安装量还是从目前的新建工厂设计和建设来看。事实上,要想全盘转向APL,需要对系统和工程实践进行改革,而不是现在普遍采用的可配置I/O的做法,虽然DCS供应商在过去10年中已经在这方面投入了大量的资金和精力。
  此外,在参与APL项目的4个标准开发组织中,ODVA及其EtherNet/IP协议可能会从APL标准中获益最多。ODVA组织的Steve Fales解释说:"今天,EtherNet/IP通常用于过程自动化中的'自动化孤岛'应用,例如阀门控制,其中PLC(也用作DCS的网关)控制一组定向控制阀。” 借助APL,Fales预测,EtherNet/IP将在过程网络中得到更广泛的应用,而无需网关进行控制、诊断和调试。
  同时,OPC基金会及其现场级通信(FLC)计划也将成为APL协议竞争中的另一个受益者。通过其内置的通信和安全模型,OPC UA的扩展可以有效地消除对任何“传统”总线协议的需求。 
  ABB测量与分析部门平台业务经理Tilo Merlin补充道:“由于目前大多数DCS系统已经支持Profinet和EtherNet/IP,因此采用Ethernet-APL与这些协议配合使用将非常简单。”由于直接使用消除了网关或其他协议转换的使用,与传统的现场总线解决方案相比,它将大大降低复杂性和拥有成本,并提高可用性和稳健性。
  "除了应用那些既定的基于以太网的协议,"Merlin认为,"APL能够使用OPC UA等新协议,提供新的安全和语义水平,从而打破了IT和OT之间的边界。"
  连接数字化双胞胎的基石 
  在APL 项目致力于将 IIoT的高速公路扩展到现场仪器的同时,在软件和系统方面的补充标准工作也已经取得进展,这些标准准备充分利用了新的带宽。其中值得注意的是 FDI 和 PA-DIM——它们都有望为数字领域带来新的秩序和价值。
  “FDI 和 PA-DIM 都是为了让整个企业的软件系统更容易使用仪器提供的信息,”FieldComm Group 的 Sereiko 解释说,“Ethernet-APL旨在用以太网交换机取代网关和远程I/O,以便于将信息从设备路由到企业系统。最终,启用的更高速度可能有助于增强FDI和PA-DIM的功能,从而进一步简化设备集成。”
  “FDI和PA-DIM旨在帮助降低从现场设备获取信息的门槛,”艾默生的Kravitz补充道,“考虑到Ethernet-APL增加了单个设备的带宽,我们希望所有这些技术的结合将有助于推动客户比以往更轻松地更充分地利用我们设备的功能。这将使现场设备能够轻松地与从控制系统一直到云的各个层级的过程数据生态系统集成。”
  Endress+Hauser公司的Lukas Klausmann指出,Ethernet-APL和PA-DIM的结合提供了以并行通信路径访问现场数据到控制集成的可能性。“这种第二通道方法支持 NAMUR 开放架构 (NOA) 的概念,而不影响核心自动化过程。这是全厂数据可用性的基础,无需特定于设备的驱动程序即可轻松解释数据。此类数字服务的可能性非常大,为工艺装置的优化工作和效率改进提供了广泛的支持。”
  “Ethernet-APL是在现场设备中部署OPC UA和PA-DIM的关键使能技术。”Pepperl+Fuchs公司的Kessler补充道,“这将最终实现真正的即插即用,因为该设备将带有嵌入式信息模型,这意味着不需要任何类型的设备描述。同时,FDI将允许对传统仪器使用PA-DIM。这将有助于工厂从HART或现场总线迁移到Ethernet-APL。”
  Moore Industries 总裁兼首席执行官 Scott Saunders 表示,FDI等模型和标准是客户和供应商的重要工具,但当速度、基础设施和与更高级别系统的连接需要新的布线甚至网关时,采用率总是较低。“Ethernet-APL可以消除所有这些问题,它支持速度为10 Mbps的大多数现有已安装双绞线,同时支持大多数其他基于TCP/IP的工业协议,有助于缓解终端用户通常对阻碍过程行业引入的新标准和新兴标准的担忧。”
  “APL 使整个世界的新用例成为可能,”PI 北美的 Bowne 补充道,“它直接影响了跨行业发生的 IT/OT 网络融合。借助基于以太网的通用物理层,供应商可以在其仪器上自由实施多种协议,这是工厂自动化中早已建立的功能。它还有助于实现 NAMUR 开放架构等概念,以便与传统自动化金字塔之外的更高级别系统进行单向通信。”
  Ethernet-APL支持完整的以太网堆栈,这意味着 IEEE 世界的所有附加功能均可用于提高可用性,ABB 的 Merlin表示, “以太网的通用多协议功能影响深远,它使 OT 和 IT 世界之间的安全连接变得更加容易。由于 OPC UA 从现场级到云的普遍适用性,APL将成为物理资产连接到其数字化双胞胎的基石。”