1、Ethernet-APL技術(shù)簡(jiǎn)介
以太網(wǎng)高級(jí)物理層技術(shù)Ethernet-APL是由國(guó)外主流廠商從2018年簽署協(xié)議開(kāi)始，啟動(dòng)該技術(shù)的研發(fā)，到2021年6月，正式推出了Ethernet-APL技術(shù)并頒布規(guī)格、工程指南和一致性測(cè)試計(jì)劃。從2019年開(kāi)始，部分國(guó)外廠家在一些展會(huì)上展示了支持Ethernet-APL技術(shù)的以太網(wǎng)芯片以及Ethernet-APL交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的原型產(chǎn)品，并在巴斯夫、寶潔等公司開(kāi)展了測(cè)試應(yīng)用。
Ethernet-APL當(dāng)前版本支持10 Mibit/s帶寬、二線制通信及供電、最高500mW防爆應(yīng)用供電、1km主干及200m分支通信距離，同時(shí)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(wèn)題，從技術(shù)層面為儀表智能化提供了更優(yōu)選擇。
2023年，機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所牽頭，組織寰球、裕太微、上海自動(dòng)化儀表、中控、康吉森、信通院、華為、北京工業(yè)大學(xué)、國(guó)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(luò)化測(cè)控設(shè)備”項(xiàng)目，啟動(dòng)了中國(guó)Ethernet-APL技術(shù)開(kāi)發(fā)，當(dāng)前芯片、儀表、控制系統(tǒng)、交換機(jī)等上下游產(chǎn)品研發(fā)順利推進(jìn)，產(chǎn)品原型即將面世。
2、Ethernet-APL工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)
從Ethernet-APL體系架構(gòu)看，現(xiàn)場(chǎng)儀表直接具備APL通信接口，通過(guò)二線制電纜接入到APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)，再由現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)通過(guò)光纖接入到DCS/PLC，或者由現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)經(jīng)APL電源交換機(jī)(即APL主干網(wǎng)交換機(jī))接入到DCS/PLC。由于APL本身并未限制應(yīng)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(shù)專項(xiàng)擴(kuò)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(tái)的APL儀表，支持Modbus TCP，Profinet等多種APL應(yīng)用層通信協(xié)議，同時(shí)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、儀表管理、儀表IP自動(dòng)分配等功能方面進(jìn)行針對(duì)性開(kāi)發(fā)，可以更好地發(fā)揮出APL的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
Ethernet-APL作為新興技術(shù)，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，可以靈活采用不同系統(tǒng)架構(gòu)。
2.1 以儀表管理為中心的系統(tǒng)架構(gòu)
對(duì)于工廠既有的控制系統(tǒng)，可以利用APL技術(shù)實(shí)現(xiàn)既有智能儀表的遠(yuǎn)程管理，包括儀表的遠(yuǎn)程日常巡檢、遠(yuǎn)程協(xié)助等。以儀表管理為中心的APL系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，在具備RS485遠(yuǎn)傳接口的儀表側(cè)加裝RS485/APL轉(zhuǎn)換模塊，將RS485通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成Ethernet-APL通信協(xié)議，接入APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)構(gòu)成的APL網(wǎng)絡(luò)，由該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)光纖接入控制室內(nèi)的儀表管理三層交換機(jī)，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(gòu)示意
采用圖1所示架構(gòu)，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(yuǎn)程化集中管理，實(shí)現(xiàn)儀表診斷信息遠(yuǎn)程查看、儀表遠(yuǎn)程參數(shù)配置、儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看、儀表運(yùn)維計(jì)劃、儀表廠商遠(yuǎn)程協(xié)助診斷等功能，提升儀表運(yùn)維效率。
2.2 管控分離的系統(tǒng)架構(gòu)
對(duì)于新建項(xiàng)目，可以將APL與通用IO融合，繼續(xù)使用4-20mA傳統(tǒng)儀表構(gòu)建過(guò)程控制功能，利用APL提供儀表遠(yuǎn)程運(yùn)維能力。管控分離的APL系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，智能儀表同時(shí)具備RS485，4-20mA接口，4-20mA信號(hào)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(guò)光纖接入到控制室內(nèi)的DCS控制器參與過(guò)程控制。RS485接口則連接RS485/APL轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)該模塊接入到APL網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)光纖接入到控制室內(nèi)的IMS。
圖2 管控分離的APL系統(tǒng)架構(gòu)示意
采用管控分離系統(tǒng)架構(gòu)，控制功能采用全冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具備高可用性；管理功能則采用單網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，同時(shí)又利用了APL的高帶寬特性，構(gòu)建了遠(yuǎn)程儀表維護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能儀表的遠(yuǎn)程運(yùn)維。
2.3 管控一體化系統(tǒng)架構(gòu)
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(shè)計(jì)，降低現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)布置的復(fù)雜度。管控一體化的APL系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，智能儀表可直接提供1～2個(gè)Ethernet-APL接口，可以接入到冗余的APL網(wǎng)絡(luò)的A網(wǎng)或B網(wǎng)，儀表參與過(guò)程控制的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及用于運(yùn)維的管理數(shù)據(jù)均經(jīng)APL網(wǎng)絡(luò)通信?，F(xiàn)場(chǎng)儀表在控制室內(nèi)的交換機(jī)匯聚后，經(jīng)冗余的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)交換機(jī)接入到DCS，一路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步接入到三層交換機(jī)并連接IMS。
圖3 管控一體化的APL系統(tǒng)架構(gòu)示意
3、Ethernet-APL工業(yè)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
3.1 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷設(shè)計(jì)對(duì)于管控一體化的APL控制系統(tǒng)架構(gòu)，一個(gè)典型的顧慮是管理數(shù)據(jù)是否占用過(guò)多帶寬，會(huì)不會(huì)對(duì)過(guò)程控制造成影響。假定1個(gè)包含50臺(tái)APL儀表的網(wǎng)段，DCS控制器控制周期為100ms，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)占用的網(wǎng)絡(luò)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(mén)，每個(gè)查詢報(bào)文發(fā)送及應(yīng)答合計(jì)120Byte，按網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷計(jì)算公式計(jì)算可得管理數(shù)據(jù)占用帶寬：
公式中： L為網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷；N為儀表數(shù)量。
從整體網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷看，單網(wǎng)50臺(tái)儀表，在上述假定查詢周期下，合計(jì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷為8.48%，整體網(wǎng)絡(luò)流量處于較低水平。如果單網(wǎng)段的儀表數(shù)量進(jìn)一步增加，如增加到200臺(tái)，則在上述設(shè)定的通信周期下，整體網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷會(huì)達(dá)到33.92%，有必要根據(jù)儀表的實(shí)時(shí)控制需求進(jìn)一步降低部分儀表的通信周期。如： 將其中50臺(tái)設(shè)為100ms、100臺(tái)設(shè)為200ms、50臺(tái)設(shè)為500ms，管理數(shù)據(jù)則統(tǒng)一改為5s，這樣整體負(fù)荷將下降至11.9%，處于較低水準(zhǔn)。
對(duì)于實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)而言，一方面需要規(guī)劃合理的網(wǎng)段，通常1個(gè)網(wǎng)段的儀表數(shù)量不要超過(guò)250臺(tái)；另一方面在單網(wǎng)段儀表數(shù)量大于100臺(tái)的場(chǎng)景，有必要差異化設(shè)置儀表的通信周期，從而控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
3.2 實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)
實(shí)時(shí)性是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)響應(yīng)能力的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于APL新型工業(yè)控制系統(tǒng)，為滿足過(guò)程控制的實(shí)時(shí)性要求，必須要采用合適的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。APL控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析模型如圖4所示，交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的延遲可忽略不計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(hào)，通信模塊以每個(gè)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(bào)到控制器，控制器則周期執(zhí)行控制任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)需要考慮各環(huán)節(jié)錯(cuò)過(guò)1個(gè)周期場(chǎng)景，如圖4中所示，生產(chǎn)裝置在T1時(shí)刻信號(hào)發(fā)生變化，但儀表最晚在T2時(shí)刻、通信模塊最晚在T5時(shí)刻、控制器最晚在T8時(shí)刻才能獲得生產(chǎn)信號(hào)。系統(tǒng)最大響應(yīng)時(shí)間Tam可按下面公式計(jì)算：
圖4 APL控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(bào)周期；Tc為控制器控制運(yùn)算周期；Tce為控制器每個(gè)周期運(yùn)算時(shí)間；To為通信模塊及智能儀表合計(jì)輸出延遲時(shí)間。
假定Ti=20ms，Tg=100ms，Tgu=10ms，Tc=100ms，Tce=30ms，To=20ms，則整體最大響應(yīng)時(shí)間Tam=280ms，完全可以滿足流程工業(yè)500ms～1s的控制系統(tǒng)響應(yīng)能力要求。對(duì)于更高的實(shí)時(shí)性要求，則可縮短Tg，Tc來(lái)滿足。
3.3 網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)
冗余是保證控制系統(tǒng)可用性的關(guān)鍵要素，對(duì)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(lǐng)域常用的星型拓?fù)浼爸悄軆x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(luò)采用A網(wǎng)、B網(wǎng)兩套星型網(wǎng)絡(luò)，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(shí)現(xiàn)APL網(wǎng)絡(luò)的冗余，網(wǎng)絡(luò)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(yùn)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(hào)故障替代功能，在首選儀表出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)應(yīng)用備用儀表的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)重要儀表的可用性。
3.4 智能儀表IP地址分配
設(shè)想未來(lái)APL新型工業(yè)控制系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景，一套生產(chǎn)裝置中的APL儀表數(shù)以萬(wàn)計(jì)，這就要求智能儀表必須具備IP地址的自動(dòng)管理功能，用戶層面不需要維護(hù)IP地址。從APL網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上，首先需要將生產(chǎn)裝置中的APL儀表分成若干個(gè)網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段的儀表數(shù)量不超過(guò)252臺(tái)；其次，智能儀表需要通過(guò)華為的IPoT或者以太網(wǎng)DHCP實(shí)現(xiàn)IP地址的自動(dòng)獲??；再次，APL新型工業(yè)控制系統(tǒng)可以通過(guò)儀表的唯一標(biāo)識(shí)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(dòng)分配功能，需要手動(dòng)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(dòng)管理，從而簡(jiǎn)化了APL控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用的復(fù)雜性。
4、結(jié)束語(yǔ)
Ethernet-APL技術(shù)的誕生，給工業(yè)領(lǐng)域通信技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了極大的潛力。工信部“2023年創(chuàng)新工程-APL網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控設(shè)備”項(xiàng)目通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研用”縱向聯(lián)合攻關(guān)，抓住Ethernet-APL這項(xiàng)新技術(shù)推出的契機(jī)，有助于推動(dòng)構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，助力儀表智能化及工廠智能制造的實(shí)現(xiàn)。
作者：李華軍、王鷗、邊文藝
