Ethernet-APL两线以太网技术介绍

方原柏

(昆明仪器仪表学会，云南 昆明 650228)

以太网是办公环境中的主流通信技术，工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网兼容，但实际产品和应用在适用性、实时性、交互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面又不相同，能满足工业现场的需要。工业以太网的优势是： 应用广泛、通信速率快、资源共享能力强、可持续发展潜力大。但以往在控制领域，工业以太网的应用局限在顶层，能否将其向下延伸到现场设备层呢？

基于该设想，2018年，主要流程工业供应商签署了一项开发以太网高级物理层技术Ethernet-APL(ethernet-advanced physical layer)的协议，称为“APL项目”。该项目得到了行业标准开发组织FieldComm Group，ODVA，OPC Foundation，PROFIBUS&和PROFINET International等机构的支持。主要合作的自动化厂商有： ABB,EMERSON,Endress+Hauser,Krohne,PHOENIX CONTACT,Rockwell Automation,PEPPERL+FUCHS,SAMSON,SIMENS,Stahl,Vega和YOKOGAWA[1]。

2019年11月在“APL项目”运作期间，以太网新的物理层10BASE-T1L的IEEE802.3cg： 2019 IEEEstandardforethernetamendment5：physicallayerspecificationsandmanagementparametersfor10 Mb/soperationandassociatedpowerdeliveryoverasinglebalancedpairofconductors技术方案获得批准，这是一个单独的物理层标准，可满足流程自动化的要求[2]，Ethernet-APL技术采用了嵌入IEEE802.3cg： 2019系列的标准化解决方案，实现了以太网物理层标准的扩展，可以完成从现场级到控制系统级的连续IP通信。而IEC TS 60079-47IECExplosiveatmospheres-part47：equipmentprotectionby2-wireintrinsicallysafeEthernetconcept(2-WISE)，列入了2-WISE用于两线本质安全以太网保护设备概念。由此，用户得到一个单一的以太网物理层，它可以实现长距离电缆传输、本质安全应用[3]。

2021年6月，正式推出Ethernet-APL技术并颁布规格、工程指南和一致性测试计划。从2019年开始，支持“APL项目”的厂家在一些展会上展示了为Ethernet-APL技术提供10BASE-T1L所需的芯片及支持Ethernet-APL技术的交换机、现场设备的原型产品。

与此同时，作为实践评估项目，2019年在德国路德维希港的巴斯夫公司的测试设置中，安装了来自不同制造商的Ethernet-APL技术原型产品，并向过程控制系统传输数据[4]。在美国俄亥俄州西切斯特宝洁公司CET实验室智能过程单元的Ethernet-APL演示装置上，安装了支持Ethernet-APL技术的现场交换机、液位变送器、压力变送器，温度变送器等设备。宝洁公司对演示结果感到满意，认为Ethernet-APL技术能够访问多变量信息和诊断信息，具有如同它宣传的那些优点。而在几年前，宝洁公司也做了一个类似的演示项目来评估基金会现场总线，但得出的结论是，它不适合该公司的工艺过程[5]。

1 Ethernet-APL技术

1.1 Ethernet-APL技术简介

Ethernet-APL用于过程自动化的新体系结构如图1所示，APL电源交换机往上层可通过工业以太网连接控制系统或云应用，往下层可以连接多台APL现场交换机，其相互间连线称为APL主干线，主干线还可选择环形冗余连接方式。多台APL现场设备可分组通过APL支线与多台APL现场交换机的端口连接[6]。在这里，Ethernet-APL技术延续了现场总线安装中常见的主干线和支线技术。

电源交换机通常由外部供电，以便为网络提供能量，电源交换机将电源和通信馈送到一个或多个主干线端口，它负责四线以太网到两线以太网的转换。现场交换机可以通过主干线供电或外部供电，现场交换机上可提供多个连接支线的端口，比如PEPPERL+TUCHS目前提供的APL现场交换机的端口数量有8，16，24个，据称最多可以做到50个端口。

图1 Ethernet-APL的系统结构示意

APL现场设备是指带Ethernet-APL接口的现场设备，它支持Ethernet/IP，HART-IP，OPC-UA，PROFINET或任何其他基于以太网的更高级别自动化协议。

1.2 Ethernet-APL系统的可能拓扑结构

根据应用现场的具体需求，Ethernet-APL系统可能有多种类型的拓扑结构[7]，现介绍其中的三类拓扑结构。

1.2.1 现场交换机与标准交换机直接连接

现场交换机与标准交换机直接连接的拓扑结构使用标准工业以太网直接将APL现场交换机连接到控制网络的标准交换机，在该情况下，不需要电源交换机，但APL现场交换机需要由辅助电源供电。控制网络可通过光纤路由至APL现场交换机，也可通过铜缆，但有长度限制。

现场交换机与标准交换机直接连接如图2所示。图2中的主干线为采用光纤的工业以太网，APL现场交换机之间的主干线的长度，光纤限制在2 km以内，铜缆限制在100 m以内。APL现场交换机与APL现场设备之间的支线长度，限制在200 m以内。APL现场设备的连接数量取决于APL现场交换机的端口数量，用户可根据APL现场设备的连接数量选择APL现场交换机的端口数量。

1.2.2 APL主干线不带电源

由于主干线工作有带电源和不带电源2种方式，当APL主干线不带电源时，APL现场交换机需要由辅助电源供电。在该情况下，APL现场交换机需通过APL电源交换机连接到控制网络。

图2 现场交换机与标准交换机直接连接示意

APL现场交换机与APL电源交换机之间或APL现场交换机与另一台APL现场交换机的连接主干线的最大距离为1 km。

1.2.3 APL主干线带电源

当APL主干线带电源时，APL现场交换机需通过APL电源交换机连接到控制网络。APL现场交换机与APL电源交换机之间或APL现场交换机与另一台APL现场交换机的连接主干线的最大距离为1 km。对于供电APL主干线，电源交换机与线路上最远的现场交换机的最大距离取决于主干线上的电源损耗、主干线电缆的截面积和要求的线段长度。由于APL主干线带电源，APL现场交换机不需要由辅助电源供电。

Ethernet-APL系统三种拓扑结构的特点见表1所列。

表1 Ethernet-APL系统三种拓扑结构的特点

2 图例符号

在Ethernet-APL项目发布的《工程指南》中，列出了分别用于构造该文件文本的符号、电缆类型/连接器和电源的符号、所用部件的符号、厂区的符号等四类。限于篇幅，仅列出部分所用部件的符号见表2所列[7]。

3 Ethernet-APL技术的看点

就自动化行业信息传输方式来说，从4～20 mA开始，先后推出过HART、现场总线、无线等先进技术。HART技术是40多年来业界广受信任的通信协议，它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。但遗憾的是，大多数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。

现场总线技术作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场与控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个底层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式控制系统。但其具有成本高、速度低、相对适合新建工程项目等缺陷，再加上数十个现场总线标准的无序竞争、不同现场总线标准产品互联困难，以及总线技术过于复杂，安装、维护人员需要大量培训才能胜任工作，因此其发展受到一定的限制。如根据瑞典HMS工业网络有限公司的调查显示： 2018年现场总线新节点数量增长了6%，但2019年则下降了5%[8]。

表2 Ethernet-APL的部件符号(部分)

无线通信方式具有节省电缆、简化安装、提高信息的可用性等优点，但受电源能量制约，刷新率低限制了在控制回路、安全回路等场合的应用，功率低限制了某些参数检测的应用。所以它只是对HART、现场总线技术的补充。

而Ethernet-APL技术通过创建新的物理层解决方案，以满足相关工艺过程可靠运行所需的要求。该技术具有如下特点：

1)功率更大。Ethernet-APL技术采用两线以太网向APL现场设备同时提供通信与供电的功能，这一点与两线制变送器类似。但两线制变送器(包括4～20 mA信号或带HART协议)提供的功率约为36 mW，还要保证电流低至4 mA时仍然能正常工作，像一般的压力、温度、液位变送器还能应付，而电磁流量计和科里奥利流量计则往往要采用单独供电的四线制变送器；现场总线的情况与HART类似，也是24 V(DC)供电，静态工作电流也很小(如20 mA)；无线设备依靠锂电池供电，功率更是受限。而Ethernet-APL可以为非防爆应用提供60 W的功率，为防爆应用提供500 mW的功率，这大约是HART设备的10～20倍。这样一些四线制的变送器又可以采用两线制，从而简化安装。但即使是现在已经采用两线供电的设备，也可以从Ethernet-APL提供的更大功率中受益，因为更大的功率意味着更强大的微处理器，能够实现更高级的信号处理。这有利于某些类型的测量，例如基于雷达和超声波的测量，通过更好的信号处理，这些测量变得更加准确和稳健。同时更大的功率也意味着这些测量的刷新速度更快、启用的功能更多、综合性能更好。

2)带宽更宽。首先对HART、现场总线以及Ethernet-APL技术的10BASE-T1L通信的数据带宽做一个简单的比较，HART的带宽是1.2 Kibit/s ，现场总线的带宽以FF现场总线低速H1卡为例是31.25 Kibit/s，Ethernet-APL技术10BASE-T1L带宽是10 Mibit/s，这相当于是HART的8 000多倍、FF现场总线低速H1卡的300多倍[9]。这意味着在Ethernet-APL网络上可以承载更多的数据，能够容纳更多的设备，能够支持具有更高带宽要求的其他类型的设备。

3)布线更简单。Ethernet-APL技术的10BASE-T1L标准定义了信道模型，该模型非常适合现场总线电缆，因此，某些已安装现场总线设备的电缆有可能在转换成Ethernet-APL设备时重复使用。与更复杂的电缆相比，单根双绞线电缆成本低，尺寸小并且更易于安装。

4)通信距离更长。迄今为止，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限制为100 m，而在过程自动化应用中有很多是100 m～1 km的距离，Ethernet-APL技术可将通信距离拉长到1 km甚至更远，并以极低的功耗和极高的可靠性与现场设备连接。

5)可用于防爆区域。Ethernet-APL技术支持两种电压峰值模式，一种是1 km线缆的2.4 V峰值，一种是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。还有一个特点是无论是在防爆区域还是在非防爆区域，Ethernet-APL技术采用的是同样的设备——如同样的APL现场交换机、同样的APL现场设备。

4 结束语

Ethernet-APL技术的引入是一个重要的技术里程碑，由于它基于以太网，有望统一并大幅简化未来的控制和信息体系结构，为流程工业提供了一个新的高性能数字现场通信范例。而高带宽和大功率的特点，有望造就新一代功能更强大的现场设备。Ethernet-APL技术2021年才正式发布，包括产品性能、市场价格、用户接受程度及全球经济形势都存在许多不确定的因素。但它毕竟对自动化行业目前占主流地位的HART、现场总线构成挑战，是一项颇具潜力的新技术。中国早在20年前就首先将工业以太网技术用于过程控制，笔者相信，在开发Ethernet-APL技术产品、扩大Ethernet-APL技术应用方面，中国不会落后的。