谈谈Ethernet-APL —它或许是过程自动化的未来

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开篇的话

在搜索网站上，输入“Ethernet-APL”，截止目前（2022.07），在百度上可找到的搜索结果555 000，在微软网站上可找到的搜索结果更是达到惊人的1 520 000 000条结果，即15亿条结果。找几条看看，醒目的标题是：“走进过程现场的Ethernet-APL”、“Ethernet-APL支持云端连接的无缝过程自动化设备过渡”、“为什么以太网APL对我们来说如此重要”、“Ethernet-APL：您为新的做事方式做好准备了吗?”。而为博人眼球，一些标题更为夸张：“Ethernet-APL：要革4-20mA、HART和现场总线的命?”、“Ethernet-APL：新的山王？”

既然前面有个“Ethernet”，我们搞工控的朋友都知道，那不是以太网吗？我熟，我们常用，但是APL是什么东东？把Ethernet和APL两个加在一起的Ethernet-APL又是什么东东？

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说说Ethernet-APL

2.1 什么是Ethernet-APL？

Ethernet（以太网）是专门为实现两个设备之间的低延迟和实时通信而开发的，据说Ethernet中“ether”的含义代表了相互间平等的信息交换。

Ethernet是世界上应用最普遍的计算机网络，但以往仅在工厂自动化金字塔的更高层次上使用，而很少用在现场层次上。这是因为以太网连线电缆默认设置是八根线，连线长度短（不超过100m）、不防爆，无法应用到生产过程现场。

于是一个天才的设想就诞生了：将Ethernet延伸到生产过程的现场，设计一个新的Ethernet物理层，让其满足两线、连线长度长、防爆、数据和供电同时传输和另外一些附加要求，使之成为用于过程自动化的基于高速以太网的通信协议，实现从现场到云端以太网的无缝融合。

2018年，主要流程工业供应商按此设想签署了一项开发Ethernet-APL技术的协议，称为“APL项目”，“APL项目”组在早期阶段与IEEE电气和电子工程师协会标准化组织合作，由标准化组织指定一个单独的物理层10BASE-T1L，它可以无缝融入标准以太网，以满足流程自动化的要求。2019年11月，10BASE-T1L的IEEE802.3cg-2019标准获得批准后，“APL项目”组就将IEEE802.3cg-2019系列的标准化解决方案嵌入到Ethernet-APL技术中，以实现以太网物理层标准的扩展。

APL（Advanced Physical Layer）的意思是高级物理层，它作为以太网的物理层，可以支持各种高阶以太网通信协议，满足过程装置可靠运行的要求，并规定了以太网通信在流程工业变送器和执行器上的应用细节，如规定了连接线长度、在危险场所使用的实施方法等，使得过程自动化设施可以在危险区域部署并支持高速应用。

2.2 Ethernet-APL技术是由哪些组织和公司开发的？

开发Ethernet-APL技术的机构是4个组织，并得到12家公司的支持。4个组织是FieldComm Group、Profibus & Profinet International (PI)、ODVA和OPC Foundation，据介绍，前三家分别是由自动化行业的巨头艾默生、西门子、罗克韦尔领衔的。12家公司是ABB、艾默生、E+H、科隆、菲尼克斯电气、罗克韦尔、倍加福、萨姆森、西门子、斯塔尔、威格和横河，这12家自动化厂商中除了一些知名的控制系统和仪器仪表厂商外，还有几个是以网络设备见长的厂商，如斯塔尔、倍加福。

下图是Ethernet-APL技术的标志，标志的最左边是一个空心的“E”，代表了Ethernet。

Ethernet-APL技术的标志

2.3 Ethernet-APL的主体设备有哪些？

Ethernet-APL技术的主体设备有APL现场设备、APL现场交换机、APL电源交换机。

APL现场设备是指带Ethernet-APL接口的现场设备，它支持Ethernet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其它基于以太网的高阶自动化协议。

APL现场交换机可提供多个连接支线的端口，端口数量最多可以做到50个；APL现场交换机往上可以连接APL电源交换机，也可以直接连接工业以太网，但需要由辅助电源供电。

APL电源交换机往上层可通过工业以太网连接控制系统或云应用，APL电源交换机往下层可以连接多台APL现场交换机，将Ethernet-APL转换为工业以太网，当APL现场交换机不带辅助电源时，可由APL电源交换机提供电源。

2.4 Ethernet-APL系统构成是什样的？

Ethernet-APL系统构成见下图。

Ethernet-APL技术的系统构成图

Ethernet-APL技术的主体设备是交换机和现场设备，这些设备之间的接线延续了现场总线安装中大家所熟悉的主干线（Trunk）和支线（Spur）的概念，主干线和支线都采用两线制。APL电源交换机往下层通过主干线连接多台APL现场交换机，主干线还可选择环形冗余连接方式。多台APL现场设备可分组通过APL支线与多台APL现场交换机的端口连接。主干线的最大长度是1000m，支线的最大长度是200m。

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Ethernet-APL与以往技术的比较

作为现场自动化设备向控制系统传送信息的新技术，与以往的4mA~20mA、4mA~20mA+HART、现场总线等技术相比，Ethernet-APL有哪些优点呢？

3.1与4mA~20mA比较

似乎没办法比较，4mA~20mA是五六十年前的技术，只有模拟量信号，而且从生产现场引到控制室全程均通过一对一的布线方式，不仅需安装大量的电缆、桥架，耗费时间和人力，而且传送的信息单一（如温度变送器仅能传送温度），传送途中要经多处转接（如现场接线箱、配线柜、I/O模件等），潜在故障点多，查找困难。

3.2 与4mA~20mA+HART的比较

4mA~20mA+HART是1986年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART协议是将调制后的正弦信号叠加在4mA~20mA的模拟信号上，增加了数字通信，除了主要变量采用4mA~20mA模拟信号传送外，其它有关测量、过程参数、设备组态、校准、诊断等信息可通过HART协议访问。但遗憾的是，大多数HART设备拥有的数字通信数据要么未能传送到控制系统，要么虽然传送到控制系统但未能充分利用。其原因在于低带宽、低功率，如带宽为1.2kbps、功率约为36mW，而Ethernet-APL技术10BASE-T1L带宽是10Mbps，这相当于是HART的8000多倍，功率即使在防爆应用也可以提供500mW的功率，大约是HART设备的15倍。

Ethernet-APL技术具有的高带宽、大功率的特点，可使一些四线制的变送器又可以采用两线制，从而简化安装。但即使是现在已经采用两线供电的设备，也可以从Ethernet-APL提供的更大功率中受益，因为更大的功率意味着更强大的微处理器，能够实现更高级的信号处理。这有利于某些类型的测量，例如基于雷达和超声波的测量，通过更好的信号处理，这些测量变得更加准确和稳健。同时更大的功率也意味着这些测量的刷新速度更快、启用的功能更多、综合性能更好。综合的效果是现场智能仪表的大量数据可以得到更充分的开发利用，如用于现场智能仪表的性能诊断、预测、预维护。而且在得到高带宽、大功率支持后，APL现场仪表可以进一步增加通过APL传送的数据类型和数据量，从而使APL现场仪表的智能程度进一步提升。

3.3 与现场总线的比较

现场总线Fieldbus技术开发后用于过程自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。但FF现场总线仪表需通过H1网卡接入控制系统，PROFIBUS-PA现场总线仪表需通过DP/PA耦合器与DP总线连接后接入控制系统。在这个传送过程中，要增加网关类设备，要进行协议的转换，从而耗费时间、增加投资。而Ethernet-APL技术不使用网关，不转换协议，将大大降低复杂性和拥有成本，并提高可用性和稳健性。

现场总线的带宽是31.25kbps，与Ethernet-APL技术的带宽10Mbps相比，差了300多倍，防爆应用场合下现场总线设备的功率约为Ethernet-APL技术提供500mW功率的1/3，非防爆应用提供60W功率的数百分之一。因此现场总线的信息传送量少，传送速度慢。从各类现场总线产品来说，普遍存在不支持总线供电、传输距离不够远、速度一般、抗干扰能力差、故障排查困难、技术难度高等问题。

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目前的进展

2015年提出Ethernet-APL的概念；2018年成立“APL项目”组；2021年“APL项目”组负责人发布新闻声明，正式推出Ethernet-APL技术并公布规格、工程指南和一致性测试计划；第一批产品现在可以从选定的供应商处获得。

中国在2007年提出的实时以太网EPA通信协议Real time Ethernet EPA(Ethernet for Plant Automation)顺利通过IEC各国的投票，正式列入现场总线国际标准IEC61158（第四版）中的第十四类型。这项工作是由浙江大学牵头，以浙江中控为主联合国内多家单位自主研发的。目前浙江中控的开发团队已开发出Ethernet-APL部分产品，如APL温度变送器、APL压力/差压变送器、12分支现场交换机等，稍后将陆续推出电源交换机、多种类型现场交换机、防爆认证产品等全套装置。

作为项目的评估试点已在德国巴斯夫公司、美国宝洁公司完成。

在德国路德维希港巴斯夫公司的设施上通常配备数十台甚至数百台物联网智能仪器，但由于传统现场总线网络的带宽有限，收集的绝大多数信息很少能够利用。通常只有基本的过程变量通过网络进行通信，其他类型的数据（如配置参数和健康诊断）滞留在现场设备上。该公司希望在资产整个生命周期内收集汇总装置的生产和维护数据，能够发现可进一步优化生产的线索。巴斯夫公司现有的现场总线系统达不到这些要求，所以需要比现场总线系统更高的带宽，以将数字化带入现场。测试后巴斯夫的工程师确信：随着Ethernet-APL的广泛引入，PROFIBUS或FF现场总线技术将被淘汰，Ethernet-APL技术是未来工厂的最佳技术。

在美国俄亥俄州西切斯特宝洁公司CET实验室智能过程演示装置上，曾做过基金会现场总线的演示项目，但评估得出的结论是它不适合我们的工艺过程。现在做的Ethernet-APL演示项目包括Ethernet-APL现场交换机、APL液位、压力、温度变送器等设备。测试后，宝洁公司认为Ethernet-APL能够访问多变量和诊断信息，速度要比HART快得多，布线很简单，对Ethernet-APL的演示结果感到满意。

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后话

Ethernet-APL技术2021年才正式发布，包括系统架构、产品性能、市场价格、宣传力度、用户接受程度及全球经济形势都存在许多不确定的因素。但许多专家看好这项技术，认为它颇具潜力，将向当前在自动化行业占主流地位的HART、现场总线等技术构成挑战。

作为用户，请大家关注它的原理、进展及实际应用，在条件许可时，不妨选个小项目试用一下。作为自动化设备生产厂家，有实力的话，也不妨投点物力、财力，也试制几台设备，再找个用户使用评估评估。

中国早在二十年前就首先将工业以太网技术用于过程控制，现在又与国外厂家几乎处在同一起跑线上，我们又有市场优势，新建、扩建、改造项目多，Ethernet-APL技术特别适合在这些项目中采用。我相信，在开发Ethernet-APL技术产品、扩大Ethernet-APL技术应用方面，中国不会落后的。

作者简介

方原柏：湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级高级工程师，衡器、自动化仪表、冶金自动化、仪器仪表用户、仪器仪表与自动化等杂志编委，昆明仪器仪表学会理事长，中国衡器协会技术专家委员会顾问，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究，曾出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年，冶金工业出版社）、“电子皮带秤”（2007年，冶金工业出版社）“流程行业无线通信技术及应用”（2015年化学工业出版社）、“有色金属生产过程自动化”（2015年，人民邮电出版社）四本专著，发表论文300篇。