以太网APL为何非常重要

以太网APL(Advanced Physical Layer)规定了以太网通信在过程工业传感器和执行器中应用的相关信息,将按照IEC标准发布。 它基于 2019 年 11 月 7 日批准的新的 10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019) 以太网物理层标准,规定了在危险场所实施和使用的防爆方法。 领先的过程自动化公司已在 PROFIBUS 和 PROFINET International (PI)、ODVA, Inc. 和 FieldComm Group® 标准的框架内合作,以实现跨工业以太网协议的以太网 APL 并加速其部署。

为什么以太网 APL 很重要? 以太网 APL 将通过实现与现场设备的高带宽、无缝以太网连接来改变过程自动化领域。 它解决了迄今为止限制以太网在现场使用的挑战。 这些挑战包括功率、带宽、布线、距离和在危险场所的使用。 通过解决棕地升级和新绿地安装的这些相关挑战,以太网 APL 将有助于获得以前无法获得的新见解,例如组合过程变量、辅助参数、资产健康反馈,并将它们无缝链接起来。 发送到控制层。 这些新见解将通过从现场到云端的融合以太网网络实现数据分析、运营见解和生产力改进(见图 1)。

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图 1. 在过程自动化中使用以太网 APL 实现无缝以太网连接。

在过程自动化应用中,要实现用以太网 APL 替换 4 mA 至 20 mA 设备或现场总线通信(基金会现场总线或 PROFIBUS Pa)的目标,需要同时为传感器和执行器供电和提供数据。 在过程自动化应用中,现场级设备和控制系统之间的距离一直是现有工业以太网物理层技术面临的巨大挑战,这些技术通常要求将电缆长度限制在 100 m。 然而,过程自动化应用需要长达1公里的距离,并且需要适用于Zone 0(本质安全)应用且性能稳定可靠的低功率现场设备。 因此,过程自动化需要一种能够实现以太网物理层技术的新途径。 这种新方法就是以太网 APL。

以太网 APL 基于全双工、直流平衡、点对点通信方案的 10BASE-T1L 物理层功能,采用 7.5 MBd 符号率和 4B3T 编码的 PAM 3 调制。 它支持两种振幅模式:2.4 V 峰值适用于长达 1000 米的电缆,1.0 V 峰值适用于更短的距离。 1.0 V 峰值振幅模式意味着这种新的物理层技术也可以用于防爆 (Ex) 环境并满足严格的最大能量限制要求。 10BASE-T1L支持采用双绞线技术进行远距离传输,通过单根屏蔽双绞线同时传输电力和数据。

在为现场设备供电方面,以太网 APL 可在 0 区应用中提供高达 500 mW 的功率,而如今的 4 mA 至 20 mA 系统只能提供约 36 mW 的功率。 在非本质安全应用中,功率可高达 60 W,具体取决于所使用的电缆。 随着网络边缘提供更高的功率,可以使用具有增强特性和功能的新型现场设备,而 4 mA 至 20 mA 设备具有功率限制,现场总线不再适用。 例如,额外的功率现在可用于在边缘实现更高的测量性能和增强的数据处理。 这将发掘有关过程变量的宝贵见解,现在可以通过在现场级设备(现场资产)上运行的 Web 服务器访问这些变量,最终推动过程流和资产管理的改进和优化。

利用包含这些有价值的新见解的丰富数据集需要更高带宽的通信链路,以将数据集从这些新现场设备跨过程安装传输到工厂级基础设施或云进行处理。 以太网 APL 支持跨信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 域的融合以太网网络,无需复杂、耗电的网关。 这种融合网络简化了安装和组件更换,并加快了网络调试和配置。 这最终将加速软件更新并简化根本原因分析和现场级设备维护。

01 以太网APL方案的优势

通过基于以太网 APL 的融合,不再需要耗电、昂贵和复杂的网关。 这使得能够从高度分散的现场总线基础设施过渡,这些基础设施会创建数据孤岛,限制对现场级设备内部数据的访问。 通过移除这些网关,这些遗留设备的安装成本和复杂性将显着降低,并且它们创建的数据孤岛也将被消除。

到目前为止,过程自动化应用一直使用表 1 中所示的传统通信标准,而新的 10BASET1L 以太网标准克服了传统标准的若干限制。 10BASE-T1L 承诺重用现有已安装的布线,通过 10BASE-T1L 物理层上的以太网 APL 为过程自动化安装的棕地升级创造机会。

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表 1. 使用 HART® 的 4 mA 至 20 mA、现场总线、10BASE-T1L 通信技术的比较

要与支持以太网 APL 的设备通信,需要具有集成媒体访问控制 (MAC) 的主机处理器或具有 10BASE-T1L 端口的交换机(参见图 2)。

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图 2. 以太网 APL 现场级设备数据连接与 10BASE-T1L PHY。

02 以太网APL布线和网络拓扑

10BASE-T1L标准没有定义具体的传输介质(电缆),而是定义了信道模型(回波损耗和插入损耗要求)。 该通道模型非常适合当前用于 PROFIBUS PA 和 Foundation Fieldbus 的 A 型现场总线电缆; 因此,一些已安装的 4 mA 至 20 mA 电缆可以重新用于以太网 APL。 与更复杂的布线相比,单双绞线布线的优点是成本更低、尺寸更小且安装更容易。

图 3 显示了为以太网 APL 建议的网络拓扑,称为主干和分支网络拓扑。 干线电缆最长可达 1 公里,PHY 峰值振幅为 2.4 V,在区域 1,分区 2。分接电缆最长可达 200 米,在区域 0,分区 1,PHY 峰值振幅为 1.0 V。电源开关位于控制层,提供以太网交换机功能,并为电缆供电(通过数据线)。 现场开关位于危险区域的现场层,由电缆供电。 现场交换机提供以太网交换机功能,将分支电缆上的现场级设备连接到干线电缆,并为现场级设备供电。

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图 3. 使用以太网 APL 和 10BASE-T1L 的未来边缘到云无缝连接技术。

在一根主干电缆上连接多个现场交换机可以将更多的现场级设备连接到网络。

03 新以太网APL设备创造新机遇

以太网 APL 将促进向具有现场到云无缝连接的过程自动化装置的过渡,包括食品和饮料、制药以及石油和天然气装置的危险场所。 由于可用功率增加,可以支持具有增强特性和功能的新型以太网 APL 现场设备。 这些新设备将利用强大的数据分析功能为云实施解锁丰富的数据集,并通过可操作的洞察力推动自动化。 现在也有可能为过程工业引入新的商业模式,以提供更复杂的过程制造过程,并从今天获得的更多新见解中创造更大的价值。

04 目前适用的解决方案

Analog Devices 的 ADI Chronous™ 产品系列进一步扩展,新产品为过程自动化提供长距离、可靠的 10BASE-T1L 以太网连接,以支持以太网 APL。 这些新的工业以太网解决方案提供两个灵活的选项,MAC PHY (ADIN1110) 和 PHY (ADIN1100)。 ADIN1110 将实现超低功耗系统设计,简化现场仪表、传感器或驱动器的改造,实现以太网转换并保护现有软件和处理器技术投资。 ADI 专有的 MAC-PHY 技术为没有集成 MAC 的超低功耗处理器提供 SPI 接口,有助于降低整体系统功耗。 ADIN1100 提供标准以太网接口,可用于更复杂的设计,例如现场开关开发。 ADI 的 ADIN1100 和 ADIN1110 10BASE-T1L 解决方案可以通过一根长度超过 1700 米的双绞线电缆传输数据,而功耗分别仅为 39 mW 和 43 mW。 单对以太网供电 (SPoE) 或工程电源解决方案与 10BASE-T1L PHY 或 MAC-PHY 相结合,可以通过单根双绞线电缆传输电源和数据。