01

вступительные слова

На веб-сайте поиска введите «Ethernet-APL». На данный момент (2022.07) на Baidu найдено 555 000 результатов поиска, а на веб-сайте Microsoft — 1,5 миллиарда результатов. Взгляните на несколько статей. Привлекательные заголовки: «Ethernet-APL входит в технологическую площадку», «Ethernet-APL поддерживает плавный переход оборудования для автоматизации процессов с подключением к облаку», «Почему Ethernet APL так важен для нас». , «Ethernet-APL: готовы ли вы к новому способу ведения дел?». Чтобы привлечь внимание, некоторые названия еще более преувеличены: «Ethernet-APL: произведет ли он революцию в области 4–20 м А, HART и полевой шины?», «Ethernet-APL: новый король горы?»

Поскольку впереди стоит «Ethernet», все наши друзья, занимающиеся промышленным управлением, знают, разве это не Ethernet? Я с ним знаком, и мы часто им пользуемся, но что такое APL? Что такое Ethernet-APL, если объединить Ethernet и APL?

02

Давайте поговорим об Ethernet-APL

2.1 Что такое Ethernet-APL?

Ethernet был разработан специально для обеспечения связи между двумя устройствами в режиме реального времени с малой задержкой. Говорят, что значение слова «эфир» в Ethernet означает равный обмен информацией между собой.

Ethernet — наиболее часто используемая компьютерная сеть в мире, но в прошлом она использовалась только на более высоких уровнях пирамиды автоматизации производства и редко на полевом уровне. Это связано с тем, что по умолчанию соединительный кабель Ethernet имеет восемь проводов. Длина соединения небольшая (не более 100 м), не взрывозащищенная и не может применяться на площадке производственного процесса.

Так родилась гениальная идея: распространить Ethernet на площадку производственного процесса и спроектировать новый физический уровень Ethernet, отвечающий требованиям двухпроводного соединения, большой длине соединения, взрывозащищенности, одновременной передаче данных и электропитания, а также другим дополнительным преимуществам. Создание высокоскоростного протокола связи на базе Ethernet для автоматизации процессов, обеспечивающего плавную интеграцию Ethernet от поля к облаку.

В 2018 году основные поставщики перерабатывающей промышленности подписали соглашение о разработке технологии Ethernet-APL на основе этой идеи, получившей название «Проект APL». Группа «Проект APL» на ранних этапах работала с организацией по стандартизации Института инженеров по электротехнике и электронике IEEE. под руководством Орган по стандартизации определяет отдельный физический уровень 10BASE-T1L, который можно легко интегрировать в стандартный Ethernet для удовлетворения требований автоматизации процессов. В ноябре 2019 года, после утверждения стандарта IEEE802.3cg-2019 10BASE-T1L, команда «APL Project» внедрила стандартизированные решения серии IEEE802.3cg-2019 в технологию Ethernet-APL для реализации расширения стандарта физического уровня Ethernet. .

APL (Advanced Physical Layer) означает расширенный физический уровень. Будучи физическим уровнем Ethernet, он может поддерживать различные протоколы связи Ethernet высокого порядка, отвечать требованиям надежной работы технологического оборудования и обуславливать применение связи Ethernet в перерабатывающей промышленности. Детали применения датчиков и исполнительных механизмов, такие как определение длины соединительных кабелей, методы реализации для использования в опасных зонах и т. д., позволяют развертывать средства автоматизации процессов в опасных зонах и поддерживать высокоскоростные приложения.

2.2 Какие организации и компании разработали технологию Ethernet-APL?

Учреждениями, разрабатывающими технологию Ethernet-APL, являются 4 организации, которые поддерживаются 12 компаниями. 4 организации являются FieldComm Group、Profibus & Profinet International (PI), ODVA и OPC По имеющимся данным, первые три фонда возглавляют гиганты индустрии автоматизации Emerson, Siemens и Rockwell. В число этих 12 компаний входят ABB, Emerson, E+H, Cologne, Phoenix Contact, Rockwell, Pepperl+Fuchs, Samson, Siemens, Stahl, Weiger и Yokogawa. Среди этих 12 производителей средств автоматизации, помимо некоторых известных, помимо систем управления. производителей систем и приборов, есть также несколько производителей, которые хорошо разбираются в сетевом оборудовании, например Stahl и Pepperl+Fuchs.

На рисунке ниже показан логотип технологии Ethernet-APL. В крайнем левом углу логотипа находится пустая буква «E», обозначающая Ethernet.

Логотип технологии Ethernet-APL

2.3 Каково основное оборудование Ethernet-APL?

Основное оборудование технологии Ethernet-APL включает полевое оборудование APL, полевые коммутаторы APL и силовые переключатели APL.

Полевые устройства APL — это полевые устройства с интерфейсом Ethernet-APL, которые поддерживают Ethernet/IP, HART-IP, OPC-UA, PROFINET или любые другие протоколы автоматизации высокого уровня на основе Ethernet.

Полевой коммутатор APL может предоставлять несколько портов для подключения ответвлений, а количество портов может достигать 50. Полевой коммутатор APL можно подключить к выключателю питания APL или напрямую подключить к промышленному Ethernet, но для него необходимо питание. от вспомогательного источника питания.

Выключатель питания APL может подключаться к системам управления или облачным приложениям через промышленный Ethernet на верхнем уровне. Выключатель питания APL может подключать несколько полевых коммутаторов APL на нижнем уровне, преобразуя Ethernet-APL в промышленный Ethernet, когда полевой переключатель APL не работает. иметь вспомогательный источник питания. Питание может обеспечиваться выключателем питания APL.

2.4 Какова структура системы Ethernet-APL?

Структура системы Ethernet-APL показана на рисунке ниже.

Схема конфигурации системы технологии Ethernet-APL

Основным оборудованием технологии Ethernet-APL являются коммутаторы и полевые устройства. Проводка между этими устройствами продолжает привычную концепцию магистральной линии (магистральной) и ответвленной линии (отводной линии) при установке полевой шины. Как магистральная линия, так и ответвленная линия используют две системы. . Выключатель питания APL соединяет несколько полевых переключателей APL с нижним уровнем через основную линию, а основная линия также может выбрать метод подключения с резервированием кольца. Несколько полевых устройств APL можно сгруппировать и подключить к портам нескольких полевых коммутаторов APL через ответвленные линии APL. Максимальная длина основной линии составляет 1000 м, а максимальная длина ответвления — 200 м.

03

Сравнение Ethernet-APL и предыдущих технологий

Каковы преимущества Ethernet-APL в качестве новой технологии для оборудования полевой автоматизации для передачи информации в системы управления по сравнению с предыдущими технологиями 4–20 м А, 4–20 м А+HART, полевой шиной и другими технологиями?

3.1 Сравнение с 4–20 м А

Кажется, невозможно сравнивать 4–20 м А – это технология, существовавшая 50 или 60 лет назад. Она имеет только аналоговые сигналы, и весь процесс от производственной площадки до диспетчерской осуществляется по индивидуальной проводке. требуют прокладки большого количества кабелей и мостов, а также требуют больших затрат времени и рабочей силы, а передаваемая информация является единичной (например, датчик температуры может передавать только температуру). несколько соединений (например, распределительные коробки, монтажные шкафы, модули ввода-вывода и т. д.) и потенциальные точки отказа. Слишком много, трудно найти.

3.2 Сравнение с 4 м А~20 м А+HART

4м А~20м А+HART — это протокол связи, запущенный в 1986 году для использования между интеллектуальными приборами на объекте и оборудованием диспетчерской. Протокол HART накладывает модулированный синусоидальный сигнал на аналоговый сигнал 4–20 м А, добавляя цифровую связь, помимо основных переменных, передаваемых с использованием аналогового сигнала 4–20 м А, других связанных измерений, параметров процесса, конфигурации оборудования, калибровки и диагностики. доступ к другой информации можно получить через протокол HART. К сожалению, большинство устройств HART имеют цифровые коммуникационные данные, которые либо не передаются в систему управления, либо передаются в систему управления, но не используются полностью. Причиной является низкая пропускная способность и низкая мощность. Например, пропускная способность составляет 1,2 кбит/с, а мощность составляет около 36 м Вт. Пропускная способность технологии Ethernet-APL 10BASE-T1L составляет 10 Мбит/с, что более чем в 8000 раз превышает пропускную способность HART. мощность может обеспечить 500 м Вт даже во взрывозащищенных приложениях. Эта мощность примерно в 15 раз превышает мощность устройств HART.

Высокая пропускная способность и характеристики высокой мощности технологии Ethernet-APL позволяют некоторым четырехпроводным передатчикам использовать двухпроводные системы, что упрощает установку. Но даже устройства, которые сейчас используют двухпроводное питание, могут получить выгоду от большей мощности, обеспечиваемой Ethernet-APL, поскольку большая мощность означает более мощный микропроцессор, способный выполнять более совершенную обработку сигналов. Это дает преимущества некоторым типам измерений, таким как измерения с помощью радара и ультразвука, которые становятся более точными и надежными за счет лучшей обработки сигналов. В то же время более высокая мощность также означает, что эти измерения обновляются быстрее, включается больше функций и общая производительность выше. Комплексный эффект заключается в том, что большие объемы данных от интеллектуальных приборов на месте могут быть более полно разработаны и использованы, например, для диагностики производительности, прогнозирования и предварительного обслуживания интеллектуальных инструментов на месте. Более того, благодаря поддержке высокой пропускной способности и высокой мощности полевые приборы APL могут еще больше увеличить тип и объем данных, передаваемых через APL, тем самым еще больше улучшая интеллектуальные возможности полевых приборов APL.

3.3 Сравнение с полевой шиной

Технология полевой шины разрабатывается и используется для сетей связи полевых интеллектуальных устройств в автоматизации процессов и других областях. Являясь основой цифровой сети связи завода, она обеспечивает связь между участком производственного процесса и оборудованием управления, а также с более высокими уровнями контроля и управления. Однако приборы полевой шины FF необходимо подключить к системе управления через сетевую карту H1, а приборы полевой шины PROFIBUS-PA необходимо подключить к шине DP через соединитель DP/PA перед подключением к системе управления. Во время этого процесса передачи необходимо добавить шлюзовое оборудование и преобразовать протоколы, что отнимает время и увеличивает инвестиции. Технология Ethernet-APL не использует шлюзы и не преобразует протоколы, что значительно снизит сложность и стоимость владения, а также повысит доступность и надежность.

Пропускная способность полевой шины составляет 31,25 кбит/с, что более чем в 300 раз хуже, чем пропускная способность 10 Мбит/с технологии Ethernet-APL. Мощность оборудования полевой шины во взрывозащищенных приложениях составляет около 1/3 от мощности 500 м Вт, обеспечиваемой Ethernet-APL. Технология APL Невзрывозащищенность Приложение обеспечивает одну сотую мощность 60 Вт. Поэтому объем информации, передаваемой по полевой шине, невелик, а скорость передачи низкая. Что касается различных продуктов полевой шины, существуют общие проблемы, такие как отсутствие поддержки питания шины, недостаточно большое расстояние передачи, средняя скорость, плохая защита от помех, трудный поиск и устранение неисправностей и высокие технические трудности.

04

текущий прогресс

Концепция Ethernet-APL была предложена в 2015 году; группа «APL Project» была создана в 2018 году; в 2021 году руководитель группы «APL Project» выступил с заявлением для прессы об официальном запуске технологии Ethernet-APL и анонсировал технические характеристики, инжиниринг. руководящие принципы и планы испытаний на соответствие теперь доступны от избранных поставщиков;

Ethernet в реальном времени EPA (Ethernet для автоматизации предприятий), протокол связи Ethernet EPA в реальном времени, предложенный Китаем в 2007 году, успешно прошел голосование стран IEC и был официально включен в 14-й тип международного стандарта полевой шины IEC61158 (четвертое издание). . Эта работа проводилась под руководством Чжэцзянского университета и независимо разрабатывалась компанией Zhejiang SUPCON и многими отечественными подразделениями. В настоящее время команда разработчиков Zhejiang SUPCON разработала некоторые продукты Ethernet-APL, такие как датчик температуры APL, датчик давления/перепада давления APL, 12-ветвевой полевой переключатель и т. д., и постепенно выпустит силовые переключатели, различные типы полевых устройств. выключатели и др. Выключатели, взрывозащищенная сертифицированная продукция и другие комплектные устройства.

В качестве пилотного проекта по оценке он был завершен в компаниях BASF в Германии и Procter & Gamble в США.

Предприятия BASF в Людвигсхафене, Германия, часто оснащены десятками или даже сотнями интеллектуальных инструментов IoT, но из-за ограниченной пропускной способности традиционных сетей полевой шины большая часть собранной информации редко может быть использована. Обычно по сети передаются только основные переменные процесса, а другие типы данных (например, параметры конфигурации и диагностика работоспособности) сохраняются на полевых устройствах. Компания надеется, что, собирая и обобщая данные о производстве и техническом обслуживании установок на протяжении всего жизненного цикла актива, она сможет найти подсказки, которые помогут в дальнейшем оптимизировать производство. Существующая система полевой шины BASF не может удовлетворить этим требованиям, поэтому для внедрения цифровизации на местах требуется более высокая пропускная способность, чем у системы полевой шины. После испытаний инженеры BASF убеждены, что с широким внедрением Ethernet-APL технология полевой шины PROFIBUS или FF будет устранена, а технология Ethernet-APL станет лучшей технологией для будущих заводов.

Демонстрационный проект полевой шины Foundation был реализован на интеллектуальном демонстрационном устройстве лаборатории CET компании Procter & Gamble в Вест-Честере, штат Огайо, США, но оценка показала, что оно не подходит для нашего процесса. Текущий демонстрационный проект Ethernet-APL включает в себя полевые переключатели Ethernet-APL, датчики уровня жидкости, давления, температуры APL и другое оборудование. После тестирования компания P&G пришла к выводу, что Ethernet-APL обеспечивает доступ к многопараметрической и диагностической информации, работает намного быстрее, чем HART, и имеет простую схему подключения. Компания удовлетворена результатами демонстрации Ethernet-APL.

05

Послесловие

Технология Ethernet-APL не будет официально выпущена до 2021 года. Существует множество неопределенных факторов, включая архитектуру системы, производительность продукта, рыночную цену, интенсивность рекламы, признание пользователей и глобальную экономическую ситуацию. Однако многие эксперты с оптимизмом смотрят на эту технологию и полагают, что она имеет большой потенциал и бросит вызов HART, полевым шинам и другим технологиям, которые в настоящее время доминируют в индустрии автоматизации.

Как пользователь, пожалуйста, обратите внимание на его принципы, прогресс и практическое применение. Если позволяют условия, вы можете выбрать небольшой проект, чтобы опробовать его. Как производитель оборудования для автоматизации, если у вас есть силы, вы можете также вложить некоторые материальные и финансовые ресурсы, протестировать несколько единиц оборудования, а затем найти пользователя, который сможет их использовать и оценить.

Китай был первым, кто использовал технологию промышленного Ethernet для управления технологическими процессами еще 20 лет назад, и теперь он находится почти на той же стартовой линии, что и иностранные производители. У нас также есть рыночные преимущества, поскольку существует множество новых проектов строительства, расширения и реконструкции. Технология Ethernet-APL особенно подходит для использования в этих проектах. Я считаю, что Китай не будет отставать в разработке продуктов по технологии Ethernet-APL и расширении применения технологии Ethernet-APL.

Об авторе

Фан Юаньбай: уроженец Хуангана, провинция Хубэй, он является старшим инженером профессорского уровня в отделении электрической автоматизации Куньминского проектного института цветной металлургии, членом редакционного совета таких журналов, как «Весовые приборы», «Автоматические приборы», «Металлургическая автоматизация», «Пользователи приборов». , специалист по приборостроению и автоматизации, а также председатель Куньминского общества приборов и контроля, консультант Технического экспертного комитета Китайской ассоциации весов, в основном занимается прикладными исследованиями контрольно-измерительных приборов и систем управления. Он опубликовал «Принципы и применение электронных поясных весов». (1994, Издательство «Металлургическая промышленность»), «Электронные ленточные весы» (2007, Издательство «Металлургическая промышленность»), «Промышленное издательство»), «Технологии беспроводной связи и их применение в перерабатывающей промышленности» (Издательство «Химическая промышленность», 2015), «Автоматизация цветного металла». Производственный процесс» (2015, People's Posts and Telecommunication Press) и 300 опубликованных статей.