以太網(wǎng)APL：利用可行的見解幫助優(yōu)化過程自動(dòng)化
以太網(wǎng)APL（高級物理層）詳細(xì)說明以太網(wǎng)通信在過程工業(yè)的傳感器和執(zhí)行器中應(yīng)用的相關(guān)信息，并將根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。它以2019年11月7日批準(zhǔn)的新10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019)以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，指定在危險(xiǎn)場所實(shí)施和使用的防爆方法。領(lǐng)先的過程自動(dòng)化公司在PROFIBUS and PROFINET International (PI)、ODVA, Inc.和FieldComm Group®標(biāo)準(zhǔn)框架下共同努力，使以太網(wǎng)APL能夠跨工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議使用，并加速其部署。
以太網(wǎng)APL為何非常重要？以太網(wǎng)APL將通過實(shí)現(xiàn)高帶寬，以及與現(xiàn)場設(shè)備建立無縫的以太網(wǎng)連接來改變過程自動(dòng)化領(lǐng)域。它解決了至今為止一直限制現(xiàn)場使用以太網(wǎng)的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括功率、帶寬、布線、距離以及在危險(xiǎn)場所的使用。通過針對棕地升級和新綠地安裝解決這些相關(guān)挑戰(zhàn)，以太網(wǎng)APL將有助于獲得以前無法獲取的新見解，例如將過程變量、輔助參數(shù)、資產(chǎn)運(yùn)行狀況反饋信息組合在一起，并將它們無縫傳送給控制層。這些新的見解將通過從現(xiàn)場到云的融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（請參見圖1），讓數(shù)據(jù)分析、運(yùn)營見解和生產(chǎn)力提高成為可能。
圖1.在過程自動(dòng)化中使用以太網(wǎng)APL，實(shí)現(xiàn)無縫以太網(wǎng)連接。
在過程自動(dòng)化應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)用以太網(wǎng)APL取代4 mA至20 mA器件或現(xiàn)場總線通信（Foundation Fieldbus或PROFIBUS Pa）的目標(biāo)，需要向傳感器和執(zhí)行器同時(shí)提供電力和數(shù)據(jù)。在過程自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)場級器件和控制系統(tǒng)之間的距離對于現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)物理層技術(shù)一直是個(gè)巨大挑戰(zhàn)，該技術(shù)通常要求電纜長度限制在100 m以內(nèi)。而過程自動(dòng)化應(yīng)用需要長達(dá)1 km的距離，并且需要適合0區(qū)（本質(zhì)安全）應(yīng)用的低功耗現(xiàn)場器件，性能穩(wěn)定可靠，因此過程自動(dòng)化需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)物理層技術(shù)的新方法。這種新方法就是以太網(wǎng)APL。
以太網(wǎng)APL以全雙工、直流平衡、點(diǎn)對點(diǎn)通信方案的10BASE-T1L物理層功能為基礎(chǔ)，在7.5 MBd符號速率和4B3T編碼下采用PAM 3調(diào)制。它支持兩種幅度模式：長達(dá)1000 m電纜時(shí)，峰值為2.4 V；較短距離下峰值為1.0 V。1.0 V峰值幅度模式意味著，這項(xiàng)新的物理層技術(shù)也可在防爆系統(tǒng)(Ex)環(huán)境中使用，并滿足嚴(yán)格的最大能源限制要求。10BASE-T1L支持利用雙絞線技術(shù)實(shí)現(xiàn)長距離傳輸，并通過單條屏蔽雙絞線同時(shí)傳輸電力和數(shù)據(jù)。
在為現(xiàn)場設(shè)備供電方面，以太網(wǎng)APL可以在0區(qū)應(yīng)用中提供最高500 mW，而如今的4 mA至20 mA系統(tǒng)只能提供約36 mW。在非本質(zhì)安全應(yīng)用中，根據(jù)所用電纜的不同，功率可高達(dá)60 W。由于網(wǎng)絡(luò)邊緣提供更高的功率，因此可使用具有增強(qiáng)特性和功能的新現(xiàn)場器件，而4 mA至20 mA器件存在功率限制，現(xiàn)場總線也不再適用。例如，現(xiàn)在利用額外的功率，可實(shí)現(xiàn)更高的測量性能，增強(qiáng)邊緣的數(shù)據(jù)處理能力。這將發(fā)掘有關(guān)過程變量的寶貴見解，過程變量現(xiàn)在可以通過在現(xiàn)場級器件（現(xiàn)場資產(chǎn)）上運(yùn)行的Web服務(wù)器訪問，最終推動(dòng)過程流和資產(chǎn)管理的改進(jìn)和優(yōu)化。
要利用包含這些寶貴新見解的豐富數(shù)據(jù)集，需要更高帶寬的通信鏈路，將這些新現(xiàn)場器件的數(shù)據(jù)集跨越過程安裝設(shè)備傳輸至工廠級基礎(chǔ)設(shè)施或云端進(jìn)行處理。以太網(wǎng)APL無需耗電量大的復(fù)雜網(wǎng)關(guān)，可跨越信息技術(shù)(IT)和操作技術(shù)(OT)域?qū)崿F(xiàn)融合以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。通過此融合網(wǎng)絡(luò)，可簡化安裝和器件更換，加快網(wǎng)絡(luò)調(diào)試和配置。最終將加快軟件更新，簡化根本原因分析和現(xiàn)場級器件維護(hù)。
以太網(wǎng)APL解決方案的優(yōu)勢
通過基于以太網(wǎng)APL進(jìn)行融合，不再需要耗電量大、成本高昂且復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)。從而可以從極為分散的現(xiàn)場總線基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)過渡，這些分散的基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)建了一些數(shù)據(jù)島，對訪問現(xiàn)場級器件內(nèi)部數(shù)據(jù)造成了限制。通過移除這些網(wǎng)關(guān)，顯著降低了這些傳統(tǒng)設(shè)備的安裝成本和復(fù)雜性，并消除了其所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)島。
迄今為止，過程自動(dòng)化應(yīng)用一直使用表1所示的傳統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)，而新的10BASET1L以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)克服了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)局限性。10BASE-T1L有望重復(fù)使用現(xiàn)有已安裝電纜，通過基于10BASE-T1L物理層的以太網(wǎng)APL，為過程自動(dòng)化安裝的棕地升級創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。
表1.采用HART®的4 mA至20 mA、現(xiàn)場總線、10BASE-T1L 通信技術(shù)比較
要與支持以太網(wǎng)APL的器件進(jìn)行通信，需要具有集成介質(zhì)訪問控制(MAC)的主機(jī)處理器或具有10BASE-T1L端口的交換機(jī)（參見圖2）。
圖2.具有10BASE-T1L PHY的以太網(wǎng)APL現(xiàn)場級器件數(shù)據(jù)連接。
以太網(wǎng)APL布線和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)未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）。該通道模型非常適合目前用于PROFIBUS PA和Foundation Fieldbus的A型現(xiàn)場總線電纜；因此某些已安裝的4 mA至20 mA電纜可以與以太網(wǎng)APL一起重復(fù)使用。與更復(fù)雜的布線相比，單條雙絞線布線的優(yōu)點(diǎn)是成本更低，尺寸更小，安裝更方便。
圖3顯示以太網(wǎng)APL的建議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，稱為干線和支線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。干線電纜可長達(dá)1 km，其PHY峰值幅度為2.4 V，位于1區(qū)、2分區(qū)。支線電纜可長達(dá)200 m，其PHY峰值幅度為1.0 V，位于0區(qū)、1分區(qū)。電源交換機(jī)位于控制級，提供以太網(wǎng)交換機(jī)功能，并向電纜供電（通過數(shù)據(jù)線）?，F(xiàn)場交換機(jī)位于危險(xiǎn)區(qū)域的現(xiàn)場層級，由電纜供電?，F(xiàn)場交換機(jī)提供以太網(wǎng)交換機(jī)功能，將支線電纜上的現(xiàn)場級器件連接到干線電纜，并向現(xiàn)場級器件供電。
在一條干線電纜上連接多個(gè)場交換機(jī)，可讓更多的現(xiàn)場級器件連接到網(wǎng)絡(luò)。
圖3.使用以太網(wǎng)APL和10BASE-T1L的未來邊緣到云無縫連接技術(shù)。
新以太網(wǎng)APL器件，創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)
以太網(wǎng)APL將有助于實(shí)現(xiàn)向現(xiàn)場到云無縫連接過程自動(dòng)化安裝的過渡，包括食品和飲料、制藥、石油和天然氣安裝設(shè)施的危險(xiǎn)場所。由于提供了更多可用功率，因而能夠支持具有增強(qiáng)特性和功能的新型以太網(wǎng)APL現(xiàn)場器件。這些新器件將利用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能來解鎖豐富的數(shù)據(jù)集，用于實(shí)施云計(jì)算，并利用可行的見解來推動(dòng)實(shí)施過程自動(dòng)化。現(xiàn)在為過程行業(yè)推出新業(yè)務(wù)模型也將成為可能，以提供更復(fù)雜的過程制造流程，并通過目前獲得的更多新見解創(chuàng)造更大價(jià)值。
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