1、Ethernet-APL技術簡介
以太網(wǎng)高級物理層技術Ethernet-APL是由國外主流廠商從2018年簽署協(xié)議開始，啟動該技術的研發(fā)，到2021年6月，正式推出了Ethernet-APL技術并頒布規(guī)格、工程指南和一致性測試計劃。從2019年開始，部分國外廠家在一些展會上展示了支持Ethernet-APL技術的以太網(wǎng)芯片以及Ethernet-APL交換機、現(xiàn)場設備的原型產(chǎn)品，并在巴斯夫、寶潔等公司開展了測試應用。
Ethernet-APL當前版本支持10 Mibit/s帶寬、二線制通信及供電、最高500mW防爆應用供電、1km主干及200m分支通信距離，同時解決了儀表診斷數(shù)據(jù)傳輸所需帶寬、防爆供電、傳輸距離等問題，從技術層面為儀表智能化提供了更優(yōu)選擇。
2023年，機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所牽頭，組織寰球、裕太微、上海自動化儀表、中控、康吉森、信通院、華為、北京工業(yè)大學、國家管網(wǎng)等十余家產(chǎn)業(yè)鏈上下游單位，承接了工信部“2023年創(chuàng)新工程-APL網(wǎng)絡化測控設備”項目，啟動了中國Ethernet-APL技術開發(fā)，當前芯片、儀表、控制系統(tǒng)、交換機等上下游產(chǎn)品研發(fā)順利推進，產(chǎn)品原型即將面世。
2、Ethernet-APL工業(yè)控制系統(tǒng)架構
從Ethernet-APL體系架構看，現(xiàn)場儀表直接具備APL通信接口，通過二線制電纜接入到APL現(xiàn)場交換機，再由現(xiàn)場交換機通過光纖接入到DCS/PLC，或者由現(xiàn)場交換機經(jīng)APL電源交換機(即APL主干網(wǎng)交換機)接入到DCS/PLC。由于APL本身并未限制應用層通信協(xié)議，DCS/PLC的選型中就需要考慮系統(tǒng)本身能接入的協(xié)議類型，以及智能儀表規(guī)模。
在康吉森公司現(xiàn)有DCS的TSx Elite上做了APL技術專項擴展，形成了基于Ethernet-APL的新型工業(yè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)單控制站可接入不少于1×103臺的APL儀表，支持Modbus TCP，Profinet等多種APL應用層通信協(xié)議，同時在系統(tǒng)實時性、儀表管理、儀表IP自動分配等功能方面進行針對性開發(fā)，可以更好地發(fā)揮出APL的技術優(yōu)勢。
Ethernet-APL作為新興技術，針對不同的業(yè)務場景，可以靈活采用不同系統(tǒng)架構。
2.1 以儀表管理為中心的系統(tǒng)架構
對于工廠既有的控制系統(tǒng)，可以利用APL技術實現(xiàn)既有智能儀表的遠程管理，包括儀表的遠程日常巡檢、遠程協(xié)助等。以儀表管理為中心的APL系統(tǒng)架構如圖1所示，在具備RS485遠傳接口的儀表側加裝RS485/APL轉換模塊，將RS485通信協(xié)議轉換成Ethernet-APL通信協(xié)議，接入APL現(xiàn)場交換機構成的APL網(wǎng)絡，由該網(wǎng)絡通過標準以太網(wǎng)光纖接入控制室內的儀表管理三層交換機，并連接儀表管理系統(tǒng)(IMS)。
圖1 以儀表管理為中心的APL系統(tǒng)架構示意
采用圖1所示架構，不改變現(xiàn)有儀表的控制屬性，可將具備自診斷功能，但目前尚未聯(lián)網(wǎng)的智能儀表納入到IMS遠程化集中管理，實現(xiàn)儀表診斷信息遠程查看、儀表遠程參數(shù)配置、儀表實時數(shù)據(jù)遠程查看、儀表運維計劃、儀表廠商遠程協(xié)助診斷等功能，提升儀表運維效率。
2.2 管控分離的系統(tǒng)架構
對于新建項目，可以將APL與通用IO融合，繼續(xù)使用4-20mA傳統(tǒng)儀表構建過程控制功能，利用APL提供儀表遠程運維能力。管控分離的APL系統(tǒng)架構如圖2所示，智能儀表同時具備RS485，4-20mA接口，4-20mA信號接入到儀表附近安裝的通用IO單元(UIO)，由該單元匯總數(shù)據(jù)后通過光纖接入到控制室內的DCS控制器參與過程控制。RS485接口則連接RS485/APL轉換模塊，經(jīng)該模塊接入到APL網(wǎng)絡，并通過光纖接入到控制室內的IMS。
圖2 管控分離的APL系統(tǒng)架構示意
采用管控分離系統(tǒng)架構，控制功能采用全冗余設計，系統(tǒng)具備高可用性；管理功能則采用單網(wǎng)絡設計，節(jié)約網(wǎng)絡建設成本，同時又利用了APL的高帶寬特性，構建了遠程儀表維護系統(tǒng)實現(xiàn)智能儀表的遠程運維。
2.3 管控一體化系統(tǒng)架構
隨著Ethernet-APL接口儀表的發(fā)布，系統(tǒng)可以采用管控一體化設計，降低現(xiàn)場網(wǎng)絡布置的復雜度。管控一體化的APL系統(tǒng)架構如圖3所示，智能儀表可直接提供1～2個Ethernet-APL接口，可以接入到冗余的APL網(wǎng)絡的A網(wǎng)或B網(wǎng)，儀表參與過程控制的實時數(shù)據(jù)及用于運維的管理數(shù)據(jù)均經(jīng)APL網(wǎng)絡通信。現(xiàn)場儀表在控制室內的交換機匯聚后，經(jīng)冗余的標準以太網(wǎng)交換機接入到DCS，一路網(wǎng)絡進一步接入到三層交換機并連接IMS。
圖3 管控一體化的APL系統(tǒng)架構示意
3、Ethernet-APL工業(yè)控制系統(tǒng)關鍵技術
3.1 網(wǎng)絡負荷設計對于管控一體化的APL控制系統(tǒng)架構，一個典型的顧慮是管理數(shù)據(jù)是否占用過多帶寬，會不會對過程控制造成影響。假定1個包含50臺APL儀表的網(wǎng)段，DCS控制器控制周期為100ms，實時數(shù)據(jù)占用的網(wǎng)絡帶寬約為3.68%；周期性管理數(shù)據(jù)以儀表診斷查詢信息為主，假定查詢周期為T，每個查詢報文發(fā)送及應答合計120Byte，按網(wǎng)絡負荷計算公式計算可得管理數(shù)據(jù)占用帶寬：
公式中： L為網(wǎng)絡負荷；N為儀表數(shù)量。
從整體網(wǎng)絡負荷看，單網(wǎng)50臺儀表，在上述假定查詢周期下，合計網(wǎng)絡負荷為8.48%，整體網(wǎng)絡流量處于較低水平。如果單網(wǎng)段的儀表數(shù)量進一步增加，如增加到200臺，則在上述設定的通信周期下，整體網(wǎng)絡負荷會達到33.92%，有必要根據(jù)儀表的實時控制需求進一步降低部分儀表的通信周期。如： 將其中50臺設為100ms、100臺設為200ms、50臺設為500ms，管理數(shù)據(jù)則統(tǒng)一改為5s，這樣整體負荷將下降至11.9%，處于較低水準。
對于實際工程項目設計而言，一方面需要規(guī)劃合理的網(wǎng)段，通常1個網(wǎng)段的儀表數(shù)量不要超過250臺；另一方面在單網(wǎng)段儀表數(shù)量大于100臺的場景，有必要差異化設置儀表的通信周期，從而控制網(wǎng)絡負荷。
3.2 實時性設計
實時性是評價控制系統(tǒng)響應能力的關鍵指標，對于APL新型工業(yè)控制系統(tǒng)，為滿足過程控制的實時性要求，必須要采用合適的實時性設計。APL控制系統(tǒng)實時性分析模型如圖4所示，交換機網(wǎng)絡的延遲可忽略不計，整個系統(tǒng)的實時性主要涉及APL智能儀表、控制系統(tǒng)的通信模塊和控制器三大環(huán)節(jié)。智能儀表周期性查詢生產(chǎn)信號，通信模塊以每個儀表可配置的通信周期查詢智能儀表數(shù)據(jù)，并周期性地將數(shù)據(jù)上報到控制器，控制器則周期執(zhí)行控制任務。整個系統(tǒng)的響應時間設計需要考慮各環(huán)節(jié)錯過1個周期場景，如圖4中所示，生產(chǎn)裝置在T1時刻信號發(fā)生變化，但儀表最晚在T2時刻、通信模塊最晚在T5時刻、控制器最晚在T8時刻才能獲得生產(chǎn)信號。系統(tǒng)最大響應時間Tam可按下面公式計算：
圖4 APL控制系統(tǒng)實時性分析模型示意
Tam=Ti+Tg+Tgu+Tc+Tce+To
公式中： Ti為智能儀表采樣周期；Tg為通信模塊查詢周期；Tgu為通信模塊數(shù)據(jù)上報周期；Tc為控制器控制運算周期；Tce為控制器每個周期運算時間；To為通信模塊及智能儀表合計輸出延遲時間。
假定Ti=20ms，Tg=100ms，Tgu=10ms，Tc=100ms，Tce=30ms，To=20ms，則整體最大響應時間Tam=280ms，完全可以滿足流程工業(yè)500ms～1s的控制系統(tǒng)響應能力要求。對于更高的實時性要求，則可縮短Tg，Tc來滿足。
3.3 網(wǎng)絡冗余設計
冗余是保證控制系統(tǒng)可用性的關鍵要素，對于管控一體化的APL新型工業(yè)控制系統(tǒng)，可以采用工業(yè)領域常用的星型拓撲及智能儀表雙網(wǎng)口或者雙智能儀表冗余方案。如圖3所示，APL網(wǎng)絡采用A網(wǎng)、B網(wǎng)兩套星型網(wǎng)絡，參與控制器的智能儀表若具備雙網(wǎng)口，則可以分別接入A網(wǎng)、B網(wǎng)，從而實現(xiàn)APL網(wǎng)絡的冗余，網(wǎng)絡中任意一個節(jié)點故障，不影響整個網(wǎng)絡的可用性。如果儀表不具備雙網(wǎng)口，但該儀表又是需要參與控制運算的重要儀表，則可采用雙儀表方案，利用TSx Elite中的輸入位號故障替代功能，在首選儀表出現(xiàn)故障時，自動應用備用儀表的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)重要儀表的可用性。
3.4 智能儀表IP地址分配
設想未來APL新型工業(yè)控制系統(tǒng)大規(guī)模應用場景，一套生產(chǎn)裝置中的APL儀表數(shù)以萬計，這就要求智能儀表必須具備IP地址的自動管理功能，用戶層面不需要維護IP地址。從APL網(wǎng)絡設計上，首先需要將生產(chǎn)裝置中的APL儀表分成若干個網(wǎng)段，每個網(wǎng)段的儀表數(shù)量不超過252臺；其次，智能儀表需要通過華為的IPoT或者以太網(wǎng)DHCP實現(xiàn)IP地址的自動獲取；再次，APL新型工業(yè)控制系統(tǒng)可以通過儀表的唯一標識獲得儀表的IP，從而跟智能儀表建立通信。通常而言，傳統(tǒng)DCS/PLC不支持智能儀表IP地址的自動分配功能，需要手動配置IP。APL新型工業(yè)控制系統(tǒng)則充分考慮了智能儀表IP地址管理的重要性，支持IP地址自動管理，從而簡化了APL控制系統(tǒng)的工程應用的復雜性。
4、結束語
Ethernet-APL技術的誕生，給工業(yè)領域通信技術的發(fā)展帶來了極大的潛力。工信部“2023年創(chuàng)新工程-APL網(wǎng)絡化測控設備”項目通過“產(chǎn)學研用”縱向聯(lián)合攻關，抓住Ethernet-APL這項新技術推出的契機，有助于推動構建全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的工業(yè)現(xiàn)場總線技術，助力儀表智能化及工廠智能制造的實現(xiàn)。
作者：李華軍、王鷗、邊文藝
