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作者： Maurice O’Brien，戰略營銷經理，ADI公司 以太網APL（高級物理層）詳細說明以太網通信在過程工業的傳感器和執行器中應用的相關信息，并將根據IEC標準發布。它以2019年11月7日批準的新10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019)以太網物理層標準為基礎，指定在危險場所實施和使用的防爆方法。領先的過程自動化公司在PROFIBUS and PROFINET International (PI)、ODVA, Inc.和FieldComm Group標準框架下共同努力，使以太網APL能夠跨工業以太網協議使用，并加速其部署。 以太網APL為何非常重要？以太網APL將通過實現高帶寬，以及與現場設備建立無縫的以太網連接來改變過程自動化領域。它解決了至今為止一直限制現場使用以太網的挑戰。這些挑戰包括功率、帶寬、布線、距離以及在危險場所的使用。通過針對棕地升級和新綠地安裝解決這些相關挑戰，以太網APL將有助于獲得以前無法獲取的新見解，例如將過程變量、輔助參數、資產運行狀況反饋信息組合在一起，并將它們無縫傳送給控制層。這些新的見解將通過從現場到云的融合以太網網絡（請參見圖1），讓數據分析、運營見解和生產力提高成為可能。 
圖1.在過程自動化中使用以太網APL，實現無縫以太網連接。 在過程自動化應用中，要實現用以太網APL取代4 mA至20 mA器件或現場總線通信（Foundation Fieldbus或PROFIBUS Pa）的目標，需要向傳感器和執行器同時提供電力和數據。在過程自動化應用領域，現場級器件和控制系統之間的距離對于現有工業以太網物理層技術一直是個巨大挑戰，該技術通常要求電纜長度限制在100 m以內。而過程自動化應用需要長達1 km的距離，并且需要適合0區（本質安全）應用的低功耗現場器件，性能穩定可靠，因此過程自動化需要一種能夠實現以太網物理層技術的新方法。這種新方法就是以太網APL。 以太網APL以全雙工、直流平衡、點對點通信方案的10BASE-T1L物理層功能為基礎，在7.5 MBd符號速率和4B3T編碼下采用PAM 3調制。它支持兩種幅度模式：長達1000 m電纜時，峰值為2.4 V；較短距離下峰值為1.0 V。1.0 V峰值幅度模式意味著，這項新的物理層技術也可在防爆系統(Ex)環境中使用，并滿足嚴格的最大能源限制要求。10BASE-T1L支持利用雙絞線技術實現長距離傳輸，并通過單條屏蔽雙絞線同時傳輸電力和數據。 在為現場設備供電方面，以太網APL可以在0區應用中提供最高500 mW，而如今的4 mA至20 mA系統只能提供約36 mW。在非本質安全應用中，根據所用電纜的不同，功率可高達60 W。由于網絡邊緣提供更高的功率，因此可使用具有增強特性和功能的新現場器件，而4 mA至20 mA器件存在功率限制，現場總線也不再適用。例如，現在利用額外的功率，可實現更高的測量性能，增強邊緣的數據處理能力。這將發掘有關過程變量的寶貴見解，過程變量現在可以通過在現場級器件（現場資產）上運行的Web服務器訪問，最終推動過程流和資產管理的改進和優化。 要利用包含這些寶貴新見解的豐富數據集，需要更高帶寬的通信鏈路，將這些新現場器件的數據集跨越過程安裝設備傳輸至工廠級基礎設施或云端進行處理。以太網APL無需耗電量大的復雜網關，可跨越信息技術(IT)和操作技術(OT)域實現融合以太網網絡。通過此融合網絡，可簡化安裝和器件更換，加快網絡調試和配置。最終將加快軟件更新，簡化根本原因分析和現場級器件維護。 以太網APL解決方案的優勢 通過基于以太網APL進行融合，不再需要耗電量大、成本高昂且復雜的網關。從而可以從極為分散的現場總線基礎設施實現過渡，這些分散的基礎設施創建了一些數據島，對訪問現場級器件內部數據造成了限制。通過移除這些網關，顯著降低了這些傳統設備的安裝成本和復雜性，并消除了其所創建的數據島。 迄今為止，過程自動化應用一直使用表1所示的傳統通信標準，而新的10BASET1L以太網標準克服了傳統標準的多個局限性。10BASE-T1L有望重復使用現有已安裝電纜，通過基于10BASE-T1L物理層的以太網APL，為過程自動化安裝的棕地升級創造了機會。 表1.采用HART的4 mA至20 mA、現場總線、10BASE-T1L 通信技術比較
要與支持以太網APL的器件進行通信，需要具有集成介質訪問控制(MAC)的主機處理器或具有10BASE-T1L端口的交換機（參見圖2）。
圖2.具有10BASE-T1L PHY的以太網APL現場級器件數據連接。 以太網APL布線和網絡拓撲 10BASE-T1L標準未定義特定的傳輸介質（電纜），而是定義了通道模型（回波損耗和插入損耗要求）。該通道模型非常適合目前用于PROFIBUS PA和Foundation Fieldbus的A型現場總線電纜；因此某些已安裝的4 mA至20 mA電纜可以與以太網APL一起重復使用。與更復雜的布線相比，單條雙絞線布線的優點是成本更低，尺寸更小，安裝更方便。 圖3顯示以太網APL的建議網絡拓撲，稱為干線和支線網絡拓撲。干線電纜可長達1 km，其PHY峰值幅度為2.4 V，位于1區、2分區。支線電纜可長達200 m，其PHY峰值幅度為1.0 V，位于0區、1分區。電源交換機位于控制級，提供以太網交換機功能，并向電纜供電（通過數據線）。現場交換機位于危險區域的現場層級，由電纜供電。現場交換機提供以太網交換機功能，將支線電纜上的現場級器件連接到干線電纜，并向現場級器件供電。 在一條干線電纜上連接多個場交換機，可讓更多的現場級器件連接到網絡。
圖3.使用以太網APL和10BASE-T1L的未來邊緣到云無縫連接技術。 新以太網APL器件，創造新的機會 以太網APL將有助于實現向現場到云無縫連接過程自動化安裝的過渡，包括食品和飲料、制藥、石油和天然氣安裝設施的危險場所。由于提供了更多可用功率，因而能夠支持具有增強特性和功能的新型以太網APL現場器件。這些新器件將利用強大的數據分析功能來解鎖豐富的數據集，用于實施云計算，并利用可行的見解來推動實施過程自動化。現在為過程行業推出新業務模型也將成為可能，以提供更復雜的過程制造流程，并通過目前獲得的更多新見解創造更大價值。 有關ADI公司Chronous以太網解決方案組合及其如何加速轉變為現實世界工業以太網網絡的更多信息，請訪問analog.com/chronous。 關于作者 Maurice O’ Brien是ADI公司工業連接部門的產品營銷經理。他負責為工業應用提供工業以太網連接解決方案支持的策略。在此之前，Maurice在ADI公司的電源管理應用和營銷領域工作了15年。他擁有愛爾蘭利默里克大學的電子工程學士學位。聯系方式：maurice.obrien@analog.com。 |
