1、Ethernet-APL技術簡介
以太網高級物理層技術Ethernet-APL是由國外主流廠商從2018年簽署協議開始，啟動該技術的研發，到2021年6月，正式推出了Ethernet-APL技術并頒布規格、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技術的以太網芯片以及Ethernet-APL交換機、現場設備的原型產品，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據傳輸所需帶寬、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選擇。
2023年，機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所牽頭，組織寰球、裕太微、上海自動化儀表、中控、康吉森、信通院、華為、北京工業大學、國家管網等十余家產業鏈上下游單位，承接了工信部“2023年創新工程-APL網絡化測控設備”項目，啟動了中國Ethernet-APL技術開發，當前芯片、儀表、控制系統、交換機等上下游產品研發順利推進，產品原型即將面世。
2、Ethernet-APL工業控制系統架構
從Ethernet-APL體系架構看，現場儀表直接具備APL通信接口，通過二線制電纜接入到APL現場交換機，再由現場交換機通過光纖接入到DCS/PLC，或者由現場交換機經APL電源交換機(即APL主干網交換機)接入到DCS/PLC。由于APL本身并未限制應用層通信協議，DCS/PLC的選型中就需要考慮系統本身能接入的協議類型，以及智能儀表規模。
在康吉森公司現有DCS的TSx Elite上做了APL技術專項擴展，形成了基于Ethernet-APL的新型工業控制系統。該系統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應用層通信協議，同時在系統實時性、儀表管理、儀表IP自動分配等功能方面進行針對性開發，可以更好地發揮出APL的技術優勢。
Ethernet-APL作為新興技術，針對不同的業務場景，可以靈活采用不同系統架構。
2.1 以儀表管理為中心的系統架構
對于工廠既有的控制系統，可以利用APL技術實現既有智能儀表的遠程管理，包括儀表的遠程日常巡檢、遠程協助等。以儀表管理為中心的APL系統架構如圖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通信協議轉換成Ethernet-APL通信協議，接入APL現場交換機構成的APL網絡，由該網絡通過標準以太網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(IMS)。
圖1 以儀表管理為中心的APL系統架構示意
采用圖1所示架構，不改變現有儀表的控制屬性，可將具備自診斷功能，但目前尚未聯網的智能儀表納入到IMS遠程化集中管理，實現儀表診斷信息遠程查看、儀表遠程參數配置、儀表實時數據遠程查看、儀表運維計劃、儀表廠商遠程協助診斷等功能，提升儀表運維效率。
2.2 管控分離的系統架構
對于新建項目，可以將APL與通用IO融合，繼續使用4-20mA傳統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)，由該單元匯總數據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，經該模塊接入到APL網絡，并通過光纖接入到控制室內的IMS。
圖2 管控分離的APL系統架構示意
采用管控分離系統架構，控制功能采用全冗余設計，系統具備高可用性；管理功能則采用單網絡設計，節約網絡建設成本，同時又利用了APL的高帶寬特性，構建了遠程儀表維護系統實現智能儀表的遠程運維。
2.3 管控一體化系統架構
隨著Ethernet-APL接口儀表的發布，系統可以采用管控一體化設計，降低現場網絡布置的復雜度。管控一體化的APL系統架構如圖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網絡的A網或B網，儀表參與過程控制的實時數據及用于運維的管理數據均經APL網絡通信。現場儀表在控制室內的交換機匯聚后，經冗余的標準以太網交換機接入到DCS，一路網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系統架構示意
3、Ethernet-APL工業控制系統關鍵技術
3.1 網絡負荷設計對于管控一體化的APL控制系統架構，一個典型的顧慮是管理數據是否占用過多帶寬，會不會對過程控制造成影響。假定1個包含50臺APL儀表的網段，DCS控制器控制周期為100ms，實時數據占用的網絡帶寬約為3.68%；周期性管理數據以儀表診斷查詢信息為主，假定查詢周期為T，每個查詢報文發送及應答合計120Byte，按網絡負荷計算公式計算可得管理數據占用帶寬：
公式中： L為網絡負荷；N為儀表數量。
從整體網絡負荷看，單網50臺儀表，在上述假定查詢周期下，合計網絡負荷為8.48%，整體網絡流量處于較低水平。如果單網段的儀表數量進一步增加，如增加到200臺，則在上述設定的通信周期下，整體網絡負荷會達到33.92%，有必要根據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，管理數據則統一改為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，一方面需要規劃合理的網段，通常1個網段的儀表數量不要超過250臺；另一方面在單網段儀表數量大于100臺的場景，有必要差異化設置儀表的通信周期，從而控制網絡負荷。
3.2 實時性設計
實時性是評價控制系統響應能力的關鍵指標，對于APL新型工業控制系統，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控制系統實時性分析模型如圖4所示，交換機網絡的延遲可忽略不計，整個系統的實時性主要涉及APL智能儀表、控制系統的通信模塊和控制器三大環節。智能儀表周期性查詢生產信號，通信模塊以每個儀表可配置的通信周期查詢智能儀表數據，并周期性地將數據上報到控制器，控制器則周期執行控制任務。整個系統的響應時間設計需要考慮各環節錯過1個周期場景，如圖4中所示，生產裝置在T1時刻信號發生變化，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時刻才能獲得生產信號。系統最大響應時間Tam可按下面公式計算：
圖4 APL控制系統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為通信模塊數據上報周期；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500ms～1s的控制系統響應能力要求。對于更高的實時性要求，則可縮短Tg，Tc來滿足。
3.3 網絡冗余設計
冗余是保證控制系統可用性的關鍵要素，對于管控一體化的APL新型工業控制系統，可以采用工業領域常用的星型拓撲及智能儀表雙網口或者雙智能儀表冗余方案。如圖3所示，APL網絡采用A網、B網兩套星型網絡，參與控制器的智能儀表若具備雙網口，則可以分別接入A網、B網，從而實現APL網絡的冗余，網絡中任意一個節點故障，不影響整個網絡的可用性。如果儀表不具備雙網口，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，在首選儀表出現故障時，自動應用備用儀表的數據，從而實現重要儀表的可用性。
3.4 智能儀表IP地址分配
設想未來APL新型工業控制系統大規模應用場景，一套生產裝置中的APL儀表數以萬計，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網絡設計上，首先需要將生產裝置中的APL儀表分成若干個網段，每個網段的儀表數量不超過252臺；其次，智能儀表需要通過華為的IPoT或者以太網DHCP實現IP地址的自動獲取；再次，APL新型工業控制系統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新型工業控制系統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控制系統的工程應用的復雜性。
4、結束語
Ethernet-APL技術的誕生，給工業領域通信技術的發展帶來了極大的潛力。工信部“2023年創新工程-APL網絡化測控設備”項目通過“產學研用”縱向聯合攻關，抓住Ethernet-APL這項新技術推出的契機，有助于推動構建全產業鏈自主可控的工業現場總線技術，助力儀表智能化及工廠智能制造的實現。
作者：李華軍、王鷗、邊文藝
