以太网APL：利用切实可行的见解优化流程自动化

Ethernet-APL（高级物理层）规定了以太网通信在过程工业传感器和执行器中的应用细节，并将在IEC下发布。它基于10年1月802日批准的新的3BASE-T2019L（IEEE7.2019cg-<>）以太网物理层标准，并规定了在危险场所使用的实施和防爆方法。过程自动化领域的领先公司正在PROFIBUS和PROFINET International（PI），ODVA，Inc.和FieldComm Group的框架下合作，使Ethernet-APL跨工业以太网协议工作并加速其部署。®

为什么以太网 APL 很重要？Ethernet-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世界。它解决了迄今为止限制以太网在现场使用的挑战。这些挑战包括电源、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挑战，Ethernet-APL 将提供以前无法获得的新见解，例如组合过程变量、辅助参数和资产运行状况反馈，并将其无缝传达给控制层。这些新见解将通过从现场到云的融合以太网网络，为数据分析、运营见解和生产力提高带来新的可能性（见图 1）。

图1.在过程自动化中与以太网-APL 实现无缝以太网连接。

为了在过程自动化应用中用以太网APL取代4 mA至20 mA或现场总线通信（基础现场总线或PROFIBUS PA），需要向传感器和执行器提供电源和数据。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被限制在100米的重大挑战。由于过程自动化应用需要长达 1 km 的距离，再加上需要适用于 Zone 0（本质安全）应用的超低功耗和坚固耐用的现场设备，因此需要一种新方法来实现用于过程自动化的以太网物理层技术。Ethernet-APL 就是这种新方法。

Ethernet-APL 基于 10BASE-T1L 物理层功能，采用全双工、直流平衡、点对点通信方案，具有 PAM 3 调制，符号速率为 7.5 MBd，4B3T 编码。它支持两种幅度模式：2.4 V 峰值（长达 1000 m 的电缆）和 1.0 V 峰值（缩短距离）。1.0 V峰值幅度模式意味着这种新的物理层技术也可用于防爆系统（Ex）的环境，并满足严格的最大能量限制。10BASE-T1L可通过屏蔽的单双绞线电缆，采用两线制技术实现电源和数据长距离传输。

在向现场设备供电方面，Ethernet-APL 可在 Zone 500 应用中提供高达 0 mW 的功率，而目前 36 mA 至 4 mA 系统可提供的功率约为 20 mW。在非本质安全应用中，根据所使用的电缆，最高可达 60 W 的功率。随着网络边缘的可用功率显著增加，可以启用具有增强特性和功能的新现场设备，因为4 mA至20 mA的功率限制和现场总线不再适用。例如，通过这种额外的功能，现在可以实现更高性能的测量和增强的数据边缘处理。这将解锁有关过程变量的宝贵见解，这些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，并最终推动流程流和资产管理的改进和优化。

为了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，以将这些新现场设备的数据集在整个过程安装过程中传送到工厂级基础设施或云进行处理。Ethernet-APL 消除了对复杂、耗电网关的需求，并支持跨信息技术 （IT） 和运营技术 （OT） 领域的融合以太网网络。这种融合网络简化了安装，简化了设备更换，并加快了网络调试和配置。这样可以加快软件更新速度，并简化根本原因分析和现场级设备的维护。

以太网 APL 解决方案的优势

通过融合在以太网-APL，已经消除了对昂贵、复杂和耗电网关的需求。这也实现了从极其分散的现场总线基础设施的过渡，该基础设施创建了数据孤岛，其中对现场级设备中的数据的访问受到限制。通过删除这些网关，这些旧安装的成本和复杂性显着降低，并消除了它们创建的数据孤岛。

迄今为止，过程自动化应用一直使用传统的通信标准，如表1所示，新的10BASE-T1L以太网标准克服了这些标准所克服的几个限制。10BASE-T1L提供了重复使用一些现有已安装电缆的潜力，为基于10BASE-T1L物理层的以太网APL的过程自动化装置的棕地升级创造了重要机会。

比较	4 mA 至 20 mA，带 HART	现场总线	10底座-T1L
数据带宽	1.2 千字节	31.25 千字节	10 Mbps
更高级别以太网连接	复杂网关	复杂网关	无网关无缝连接
仪器电源	<40毫瓦	功率有限	IS：500 mW 非 IS 高达 60 W（取决于电缆）
知识/专长	知识/专长的萎缩	知识/专长的萎缩	所有大学毕业生都非常熟悉以太网技术

要与支持 Ethernet-APL 的设备通信，需要具有集成介质访问控制 （MAC） 的主机处理器或具有 10BASE-T1L 端口的以太网交换机（请参阅图 2）。

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

以太网 APL 布线和网络拓扑

10BASE-T1L标准没有定义特定的传输介质（电缆），而是定义了通道模型（回波损耗和插入损耗要求）。通道型号非常适合目前已经用于 PROFIBUS PA 和基础现场总线的现场总线 A 型电缆;因此，一些已安装的 4 mA 至 20 mA 电缆可能会与以太网 APL 重复使用。与更复杂的布线相比，单双绞线布线具有成本更低、尺寸更小且更易于安装的优点。

图 3 显示了针对以太网 APL 的建议网络拓扑，称为中继和杂散网络拓扑。干线电缆的长度可达 1 km，PHY 峰值幅度为 2.4 V，位于 1 区 2 分区。支线长度可达 200 m，PHY 振幅峰值为 1.0 V，位于 0 区 1 分区。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级别，由电缆供电。现场交换机提供以太网交换机功能，连接杂散上的现场级设备，以连接到中继并将电源传递给现场级设备。

图3.通过以太网 APL 和 10BASE-T1L 实现未来的无缝边缘到云连接。

多个现场交换机连接在干线电缆上，以提供大量要连接到网络的现场级设备。

新的以太网-APL 设备创造新的机会

Ethernet-APL将实现向无缝现场到云连接的过程自动化安装的过渡，包括食品和饮料、制药以及石油和天然气装置的危险场所。由于可用的功率显著提高，因此可以支持具有增强特性和功能的新型以太网APL现场设备。这些新设备将通过强大的数据分析解锁丰富的云计算数据集，并通过可操作的见解推动流程优化。现在，流程工业的新商业模式将成为可能，以提供更复杂的流程制造流程，并从现有的新见解中创造价值。

目前有哪些解决方案

ADI扩展了其ADI Chronous™产品组合包括新产品，为支持以太网APL的过程自动化带来长距离、强大的10BASE-T1L以太网连接。新的工业以太网解决方案提供两种灵活的选项：MAC PHY （ADIN1110） 和 PHY （ADIN1100）。ADIN1110支持业界功耗最低的系统设计，简化了现场仪表、传感器或执行器中的以太网改造，并保留了软件和处理器技术的现有投资。ADI独特的MAC-PHY技术为没有集成MAC的超低功耗处理器提供SPI接口，从而降低整体系统功耗。ADIN1100提供标准以太网接口，支持用于更复杂的设计，如现场开关开发。ADI公司的ADIN1100和ADIN1110 10BASE-T1L解决方案可通过1.7公里的单双绞线电缆传输数据，功耗分别为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，通过单根双绞线电缆提供电源和数据。

审核编辑：郭婷