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以太网APL—赋能PROFINET过程行业现场应用

 

 

以太网已是企业事实上的通信标准,但如果不经修改,它并不能满足过程自动化的需求。具有先进物理层的以太网(以太网 APL)通过在两根电线上同时进行通信和本质安全的供电,实现长电缆距离传输和防爆保护。

 

 

基于IEEE和IEC标准,以太网 APL支持PROFINET和任何其他基于以太网的自动化协议,并将发展成为整个过程自动化业界的单一、长期稳定的技术。过程行业的工厂通常运行20年以上,要求对人员、产品和环境是安全的。在危险区域和恶劣条件下的爆炸可能性要求任何新技术的部署都必须经过彻底测试,并提供额外的商业利益,技术不能过于复杂或需要非常广泛的培训。

 

 

以太网APL技术开发协议-“APL项目”,于2018年建立,它的后面是领先的工业标准开发组织(SDO),如FieldComm Group、ODVA、OPC基金会、项目主持组织PROFIBUS&PROFINET International,以及过程自动化行业的主要供应商,包括ABB、艾默生、E+H、科隆、P+F、菲尼克斯、R.Stahl、罗克韦尔、萨姆森、西门子、Vega、横河等

 

 

APL[高级物理层]工业以太网-本质安全以太网

以太网APL给PROFINET带来的价值

 

 

PROFINET广为人知的关键优势,以及对它在任何自动化领域可靠、高性能通信的广泛行业认可,结合新的物理通信层,为过程自动化创造了新的价值,例如

 

1、双芯电缆

2、长电缆线路

3、供电和通信在同一电缆完成

4、支持所有防爆技术,包括本质安全

5、安装工艺简单

6、重复使用现有的“A”型现场总线电缆,可降低成本并减少供应商

7 从现场总线PROFIBUS PA到PROFINET APL的简易迁移策略

8 抗电磁干扰能力

9 浪涌保护支持

 

 

PROFINET过程自动化网络

 

 

 PROFINET APL 与传统以太网连接有何不同。

 

 

以太网APL是基于10BASE-T1L的单对以太网(SPE)的增强物理层,如下图所示。

 

 

它通过长达1000米的电缆以10 MBit/s的全双工速度进行通信,比当前技术(如HART通信)快300多倍。它是以太网的逻辑扩展,它提供了过程工厂现场可靠运行所需的属性。以太网APL是一个物理层,也将支持OPC-UA或任何其他高级协议。

 

 

PROFINET APL 包括了过程应用所需的附加属性。这些特性源于室外安装和危险区域保护的要求。它们遵循各自的IEC标准,并提供互操作性和简单性,例如:

  • 2-WISE代表2线制本质安全以太网。IEC技术规范IEC TS 60079-47(2-WISE)定义了对所有危险区域和分区的本质安全保护。对于用户来说,这包括验证本质安全简单步骤,而无需复杂的计算。
  • 以太网APL定义了具有或不具有危险区域保护的多个功率级别的端口配置文件。

 

 

PROFINET APL 允许布线到螺旋式或弹簧夹式端子,从而支持电缆通过密封套进入。此外,定义良好的连接器技术确保了安装过程的简单性。

PROFINET APL有什么用?

 

 

PROFINET APL 的设计支持所有已知的安装/网络拓扑,具有可选的物理冗余、可扩展性和动态重新配置。它采用了PROFIBUS-PA已经熟悉的主干/支线方法。

 

 

根据以太网APL技术的定义,一般有两类网段概念:

 

1 “主干”为长达1000米的长电缆提供高功率和信号电平。

2“分支”携带较低的功率,提供可选的本质安全,长度可达200米。

 

 

为构建任意的网络拓扑,目前定义了两种类型的交换机:

 

1 供电交换机为一个或多个主干端口提供电源和通信。它通常由外部供电。

2 现场交换机提供至少一个可以连接支路的端口。它可以通过主干或外部供电。

这允许创建如图所示的拓扑(示例):

 

 

更进一步详细地说,以下技术数据被定义为以太网APL的关键特性,因此,PROFINET APL也适用:

1、有没有过程自动化不同通信技术之间的比较?

 

 

由于过程自动化中的通信技术经过几十年的发展,已经建立了许多不同的通信技术,这些技术不具有直接的可比性,而且都有各自独特的特点。但是,通过比较基本的通信和网络要素(长度、速度、电缆类型等),可以得到一个粗略的指示:

 

 

2 、PROFINETPROFINET APL兼容吗?

 

 

当然可以,因为PROFINET是一种基于以太网的介质无关的技术。PROFINET使用传统的铜缆、光缆、WLAN等,以太网APL可以看作是另一种介质。这样,让PROFINET成为领先通信技术的所有特性和优势都可以在以太网APL介质(物理层)上应用。

 

 

关于PROFINET APL使用10 Mbit/s的通信速率,需要一个桥接设备,如交换机或转换器,来互连100BASE-TX和10BASE-T1L的不同电气介质。

 

 

从用户的角度和数据交换的角度来看,PROFINET的行为是透明的,提供该技术所有已知功能。

 

 

3 、 PROFINET APL的时间线是怎样的?

 

 

开发以太网APL的项目已经实现了第一个里程碑,如下图所示。随着IEEE 10BASE-T1L规范的发布,2线制本质安全以太网(2-WISE)和电源端口配置文件的IEC规范的进展已步入正轨。

 

 

最终的PHY芯片将于2021年初面世,因此第一批现场设备和基础组件预计也将于2021年面世。对于以太网APL系统的安装,会及时提供工程安装指南。

 

 

在德国,第一个以太网APL原型试验项目证明了该技术的工作原理和该技术带来的利益。安装2线以太网现场设备,包括各种测量类型的执行器和传感器,证明了现场设备安装、集成到过程自动化系统中以及并行访问现场设备的数据的简单性。

 

 

4、 PROFINET APl 是否会以与其他PROFINET设备相同的方式进行认证?

 

 

是的。为PROFINET创建的设备必须满足PI定义的认证标准,对 PROFINET over APL 设备进行测试也没有什么不同。

 

 

5 、为什么要把 PROFINET 应用在APL上?

 

 

总的说来,PROFINET在工厂和过程自动化中以其灵活性、弹性和可用性而闻名。将其应用于以太网-APL,用户可以利用以太网网络提供的全面连接性来数字化其所有自动化资产。

 

 

这将实现用户对新技术的期望,即:

  • 很容易延伸到现有的工厂;
  • 实现了对已使用的现场仪表的透明和开放、并行访问;
  • 确保基于单一网络的互操作性;
  • 为爆炸危险区域提供标准化和广为接受的步骤;
  • 实现所有设备功能的简单、灵活和独立于供应商的使用。

 

 

此外,增强的连接性为降低日常操作和工作的复杂性提供了强大的工具。单一网络技术的可用性、基于对智能仪表的数据访问为设备制造商和工厂管理者打开了新的商业潜力。

 

 

6 、以太网APLPROFINET over APL有什么区别?

 

 

以太网APL是一种物理通信层(介质),通过气电连接两个设备,允许它们在2线电缆上以IT设备那样的方式交换数据,但具有针对过程自动化而作的调整。

 

 

PROFINET over APL使用这种物理通信层,就像使用其他电缆或WLAN一样。

 

 

参考材料

  • 以太网APL 白皮书:本白皮书涵盖了以太网APL的业务环境、技术规范、对不同用户类型的影响以及以太网APL的发展状况。
  • PROFINET PA 基础幻灯片集:用于过程自动化的PROFINET 幻灯片集概述了PROFINET越来越多地用于过程自动化的原因和方式。
  • PI白皮书:PROFINET–过程自动化解决方案平台,本白皮书以技术开发的时间轴为导向,报告了PROFINET的哪些功能和能力目前满足过程自动化的要求,哪些功能和能力可以在未来根据已完成或正在进行的规范实施并用于产品中。

 

 

过程控制装置:具有连续过程的工厂,特别是在化工部门,由过程控制系统进行管理。过程控制装置连接到工厂网络,主要提供和计算各自的测量输出值。

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