重磅|PROFINET over Ethernet-APL 将给过程工业带来变革!

显示全部楼层 · 2024-8-10 01:20:59

图片来源：PI 组织

作者 | Michael Bowne, PI

“
通过使用正确的技术组合，有助于过程工厂实现与现场仪表的高效通信。
”

Profinet 技术可为用户提供数字化工具和基础设施，以便在调试、启动和工厂维护期间管理仪表组。本文为用户提供有关过程工业强化以太网物理层的见解。Profinet 的功能，如代理桥接技术、PA 配置文件、动态重新配置和冗余概念，都可以进行仪器编排，以实现当今过程工厂尚未实现的自动化水平。

使用以太网诊断提高工厂性能

过程工厂致力于提高效率和工厂绩效。工厂运行中的主要挑战之一是设备更换，因为通常需要主题专家来实施更换。此外，由于现场设备的诊断信息依赖于供应商，难以读取，因此维修人员无法处理这些信息，也就无法提供有用的补救信息，这导致工厂运营效率低下。

在NE 176 NAMUR 开放式架构的背景下，定义了几个用例，这些用例为过程装置的生命周期带来附加值。例如“唯一标识”、“设备规格”、“读取多变量过程值”和“健康监测和诊断”等。

为了满足这些应用的需求，与现场层级的高性能连接，对于确保从智能仪表到更高层级的应用和数字服务的数据可用性至关重要。

▎图1 ：具有现场层以太网间隙的经典自动化金字塔。

当今的现场技术及其局限性

如今，大多数工厂使用4~20mA 电流回路作为传感器、执行器和过程控制系统之间的通信技术。在许多工厂运营商看来，这项技术足以实现单纯的过程控制，这项技术在过去几十年中得到了充分验证，确立了现有地位。所有重要的过程仪表都支持4~20mA模拟技术，并提供简单的安装和可维护性。

4~20mA 技术的局限，是在扩展数据访问的背景下体现出来的，这包括获取更多过程值、读取诊断信息，或者用于配置设备。然而，为了满足这些应用，需要对智能现场仪表进行更广泛的数据访问。换言之，还有大量未开发的信息可以提高效率和性能。

通过HART 协议可以在当前信号上叠加数字通信信号，因此可以检索大部分附加信息。然而，HART 协议主要用于配置。对于实现全面的数据访问HART 协议可能并不适合，因为其数据传输速度非常慢。

通过诸如Profibus PA等现场总线技术，可以实现真正的数字通信。虽然技术上是合理的，但在过程行业的采用率尚未达到4~20mA 模拟技术的水平。一个原因可能是与简单的模拟技术相比，现场总线网络相对复杂。另一个原因可能是，尽管现场总线技术传输速度比HART快得多，但这种速度仍然不足以传输大量数据。总之，在数字化和满足高效过程工厂的新应用方面，这些传统技术有许多局限性。

由于以太网技术已经广泛应用于自动化金字塔上层的数据通信，因此就出现一个问题：为什么以太网不能应用到现场层。在许多其它行业，以太网技术在现场层的成功应用已经被证明多年。比较工业以太网的特点和过程工厂的要求，就会发现这个问题的答案非常简单——现有的以太网标准无法满足过程工业的挑战性要求：

过程装置需要一种可用于爆炸危险区域的技术，包括本质安全。

过程工厂的目标是采用类似于4~20mA 和Profibus PA 的双绞线技术，通过同一根电缆提供电力和数据。

过程工厂必须桥接数百米以上的电缆距离。

满足过程工厂要求的物理层

先进物理层以太网（Ethernet-APL）的推出，使网络基础设施能够一直延伸到现场仪表，包括爆炸危险区域的仪表。Ethernet-APL 结合了众所周知的双绞线技术的优点和以太网技术的高性能。

在过去4 年中，为了创建Ethernet-APL，过程自动化领域的众多供应商与主要标准组织合作，致力于开发出满足过程工业要求的以太网解决方案。这一网络可以被任何其它标准组织，用于任何基于工业以太网的协议。APL 项目的工作包远远超出了标准化和一致性测试，其中包括对先进知识的洞察：

其基础是最新的IEEE802.3规范10B ASE - T1L，该规范定义了一种基于双绞线长距离传输的10 M b p s 以太网解决方案。

配置文件标准化了电力传输水平，可以实现长距离电缆传输。为应用选择合适的配置文件很容易，可以确保在不同环境中的互操作性。

IECTS 60079-47 的新章节将本质安全保护标准化为一个整体设计。“2-WI S E”是双线本质安全以太网的缩写，定义了简单的保护验证，无需任何计算。电气参数源自现场总线本质安全概念（FISCO），并为许多现场总线用户所熟知。

通过强制性的APL 一致性测试，运营商可以确保交换机或仪器中的所有A P L 接口，都根据规范进行了认证，因此可以实现相互操作。

Ethernet-APL工程指南，在APL网络的规划、安装和调试期间，为最终用户提供一流的知识和设计支持。

▎图2: Ethernet-APL 消除了布线柜，具有灵活的拓扑结构，并且易于实现冗余。

让过程控制通信更高效

借助 Ethernet-APL，可以使用一个新的以太网物理层来满足过程工厂的要求。

Profinet 是一种成熟的工业以太网协议，在全球范围内安装了数千万台设备。该协议和相关标准由PI 组织制定，PI 是一个拥有1700 多家成员会员的国际组织。大多数常见的分布式控制系统（DCS），已经能够使用该协议运行。

在IEC 61158 和IEC 61784 中，Profinet 实现了标准化，并支持其它标准以太网协议，如用于识别网络中I P 地址的地址解析协议（ARP）、用于分配设备名称的设备配置协议（DCP）、用于邻域检测的链路层发现协议（LLDP）或用于观察网络组件的简单网络管理协议（SNMP）。除了这些标准机制外，Profinet 还有许多其它功能，使其可以支持在工业环境中使用以太网。

通过不同的冗余概念，确保了过程装置的高可用性。对于控制器故障和电缆中断，Profinet 提供了适当的解决方案，以确保过程不会中断。即使对于尚未具备Profinet功能的特定测量标签，可用的专用代理也允许将传统现场总线仪器集成到Profinet 网络中。甚至像4~20m A 这样的传统技术，也可以通过支持Profinet 的远程输入/ 输出（I/O），集成到该网络中。

最重要的是，Profinet 允许在工厂运行期间重新配置设备。这为电子/ 虚拟编组等未来灵活性，提供了所需的开放性。

设备集成和诊断的标准化解决方案

使用PA Profile 4，工作流程可以实现设备的自动更换，甚至是跨供应商。因此，新设备可以安装在原设备的位置上。新设备被识别和配置后，就可以恢复基本功能。然后，可以在方便时使用常用工具，进行进一步的配置以提高性能。

PA Profile 4 通过符合 NE107 的协调诊断消息，简化了维护人员的故障排除。从而提高了工厂运营的效率，并减少了培训工作量。PA Profile 4 将以标准化、独立于供应商的方式支持 NE176 中描述的所有用例，并提供现场设备所需的所有数据。

为过程工厂实现价值优化

未来的过程工厂需要强大的技术来实现数字化或提高日常工作效率。Profinet 和PA Profile4 是易于集成和运营的完美解决方案。有了Ethernet-APL，现在物理层也可以用于爆炸危险区域。通过这些技术的结合，在数字化服务、更高的性能和价值优化方面，都可以实现更多的可能性。

关键概念：

■ Profinet 和Ethernet-APL可以帮助过程设施改进数字化和通信。

■ 与现场设备的高性能连接，对于确保从智能仪表到更高级别的应用和数字服务的数据可用性至关重要。

思考一下：

以太网能为您的过程设备带来哪些好处？

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本文来自于控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）2022年7月刊《技术文章》栏目：基于Ethernet-APL的Profinet如何为过程工业带来价值？

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