Ethernet-APL将如何影响未来的现场设备？

发布日期：2022-03-01 浏览次数：13

　　随着新代以太网-APL产品将于今年进入过程自动化市场，过程工业终将能够拥有个统的以太网架构，从本质安全的现场设备直延伸到云端。当然，设备带宽会更快，允许随时访问过程变量以及所有辅助数据，但以太网 APL 还将为这些设备提供更多电能——允许更多内存、更强大的微处理器和前所未有的功能。数字域。

　　为了帮助探索 Ethernet-APL 将带来哪些新的现场设备功能，采访了艾默生自动化解决方案业务应用技术高总监 Jonas Berge。

　　问：，也许您可以谈谈与模拟、4-20mA HART 甚至现场总线技术相比，Ethernet-APL 可以为现场设备提供多少更多的带宽和功率？

　　答：让我们从带宽数字开始。Ethernet-APL 运行速度为 10 Mbps，而 HART 运行速度为 1.2 kbps，因此 Ethernet-APL 确实快了 8,000 倍以上。现场总线以 31.25 kbps 的速度运行，因此 Ethernet-APL 仍然快 300 倍以上。因此，Ethernet-APL 可以承载更多的数据，从而支持网络上的更多设备，并且还支持其他类型的具有更高带宽要求的设备。

　　我很高兴你提出了供电的差异，因为它很重要，但在我们对带宽感到兴奋时经常被遗忘。Ethernet-APL 不仅提供通信，还通过相同的两条线提供电源，就像模拟 4-20 mA/HART 回路电源和现场总线提供的总线电源样。对于两线制、回路供电的 HART 设备，功率受限于 4-20 mA 信号；它们必须能够以低于 4 mA 的电流运行。这并不多，它限制了可以供电的设备类型。

　　现在，根据应用，Ethernet-APL 可为设备提供超过 0.5 瓦甚至超过 1 瓦的功率。这大约是 4-20 mA 设备的 10 到 20 倍。因此，以前必须单独供电的设备很快可以通过同对电线供电。无需拉出单独的电源线。

　　问：这种新的、更高的功率和带宽为现有仪器带来了哪些新的可能性？

　　答：让我们继续讨论更高电源的影响。因此，4 mA 足以为许多熟悉的仪器类型提供回路供电，例如压力、温度、液位和些流量变送器，如差压和涡街，以及液体分析仪，如 pH 和电导率。但是 4 mA 不足以为某些其他类型的流量计（例如更大的管径、磁性和科里奥利流量计）提供回路供电。今天，这些较大的仪表需要单独的电源。

　　在未来使用 Ethernet-APL 时，许多此类设备类型将采用两线供电，从而简化安装。但即使是今天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。更大的功率意味着更强大的微处理器可以实现更进的信号处理。这有利于某些类型的测量，例如基于雷达和超声波的测量，这些测量通过更好的信号处理变得更加准确和稳健。

　　更大的功率还意味着这些测量的更新速度更快。对于我们已经熟悉的变送器和阀门定位器等仪表类型，更大的带宽意味着您可以在网络上放置比传统现场总线更多的设备，并且仍然可以获得快速的响应时间。也就是说，您不需要像使用现场总线那样多的网络。它还为您提供了更大的备用容量和灵活性，以便以后将更多设备添加到网络中，而无需重新设计添加的网络和接线盒。

　　Ethernet-APL 还提供了更大的灵活性，以适应新建项目后期的更改，甚至在启动后无需进行大量的重新设计。这种灵活性对于初的项目执行以及后来的工厂保持常青是至关重要的。

　　问：您能否按仪器类型（阀门控制器、雷达液位计、科里奥利仪表、电磁流量计等）举例说明它将提供的新功能？

　　答：对于雷达液位计，更大功率意味着它可以使用调频连续波 (FMCW) 传感技术代替脉冲雷达。FMCW 具有更高的温度稳定性，并且更擅长处理令人不安的回声，尤其是在高大的储罐中。FMCW 需要进的信号处理，但通过 Ethernet-APL 的额外功率，发射器将能够提供比过去更快的更新。高带宽的另个好处是，在仪器调试期间，您不必等待雷达回波曲线在您的设置应用程序中缓慢加载。它立即到达，可以像实时视频样流式传输，因此您可以调整安装并动态查看回声曲线。您可以在罐内看到来自搅拌器等的干扰，因此它们更容易调试。

　　我们已经谈到的科里奥利流量计和电磁流量计，以及超声波流量计，现在可以从 4-20 mA 或 RS485 Modbus 或常规以太网转为使用 Ethernet-APL，而无需单独的电源。

　　两线式气体分析仪也是可能的。想象下将气体分析仪安装在过程采样点附近的现场，使用少的采样线，而不是将以太网 APL 运行回需要数据的人。这比建造分析仪庇护所以及铺设和维护长采样线要容易得多。

　　问： Ethernet-APL 可以支持哪些全新的仪器类型？

　　答：嗯，由于数字化转型、IIoT、工业 4.0 和第四次工业革命，人们对设备状态监测和分析产生了大的兴趣，而不仅仅是大型关键涡轮机械。涡轮机和压缩机已经具有振动监测和在某些情况下的预测功能，这非常成功，但这些“在线”系统价格昂贵。

　　工厂现在希望对泵、风扇和输送机等第二层重要资产进行这种状态监测，但成本较低，因为这是个要求不高的应用。如您所知，其中些是由无线发射器完成的。但对于某些资产，工厂部署了“资产监控器”，即位于现场的边缘设备，监控多个资产。如今，他们使用具有单独电源的常规以太网，并帮助工厂对其越来越多的设备进行预测性维护。将来，这些可以使用 Ethernet-APL 更容易部署。

　　但是让我们考虑下办公室中的以太网。它不仅仅是将笔记本电脑和服务器连接到互联网。以太网还连接打印机和扫描仪。在我们的办公室，电话在以太网上，闭路电视摄像机在以太网上，视频墙显示器在以太网上，我相信还有更多。以太网是单的通用基础设施。没有单独的电话线，没有单独的闭路电视电缆，等等。个单的以太网基础设施，而不是过去可能有五个独立的基础设施。

　　Ethernet-APL 可以为工厂的过程区域做同样的事情。它不仅有可能取代 4-20 mA 基础设施，还可以取代工厂区域内的 RS485 基础设施、视频电缆基础设施和常规以太网基础设施——所有这些都成为个通用的以太网 APL 基础设施，而不是五个专用基础设施我们有今天。这是个戏剧性的简化。

　　例如，许多工厂希望能够在其过程中看到起泡、卵石大小或分层等。今天，他们派名现场操作员出去检查，透过检查窗窥视。将来，他们只需插入个以太网 APL 摄像机即可。我不是在谈论您的外围闭路电视——它仍将使用常规以太网，但我指的是视频在未来的流程域中将扮演更重要的角色。如果它有助于某些任务，您可以轻松地在过程区域中放入 Ethernet-APL HMI 面板。

　　也许，我们也会在过程应用中看到 LiDAR。

　　其中些事情在今天理论上是可能的。您“只”需要为该设备铺设数百米的以太网光纤和电源。但是对于单个用例来说成本太高，所以没有得到批准。但是，旦您在工厂的每个角落都安装了 Ethernet-APL，安装摄像头、HMI 面板、激光雷达、资产监视器、流量计和气体分析仪就变得容易且成本低廉，为持续改进铺平了道路。

　　问： Ethernet-APL 的个巧妙之处在于它只指定了物理层，这意味着它可以适应多种不同的协议——即使是在同对电线上。在实践中，我们是否会在同条线路上运行多个不同的协议，或者是否会有些网络分段来分离，例如讲 Profinet over Ethernet-APL 的电气设备与讲 HART-IP over Ethernet-APL 的过程仪表？

　　答：嗯，Ethernet-APL 支持 IP，因此它支持多种应用协议。因此，使用 Ethernet-APL 不再是 HART 或 Modbus 或 Profibus 的问题，而是 HART-IP 和 Modbus/TCP 和 Profinet。此外，其他协议（例如用于 Web 浏览的 HTTPS 和用于视频的 RTSP）都同时在同条线路上。还将有 OPC-UA 到 HMI 面板和分析。

　　话虽如此，拥有子网和安全区域是种很好的工程实践。所以，那个房间里会有个用于电气设备的子网，那个子网上的大部分流量可能是 Profinet，但它不会像公交车时代那样纯粹是个单的协议。还将有 HTTP 和 OPC UA。由于电机控制中心通常在室内，距离很短，因此电气设备可能会继续使用常规以太网。而且，是的，Ethernet-APL 仪表很可能会使用 HART-IP，但仪表子网不会托管单协议。那里也会有 HTTP 和 OPC UA。

　　共享相同基础设施的设备和用例的混合以及利用其数据的软件混合需要混合协议。以太网的好处是共享基础设施，如果不混合协议，您将无法做到这点。回到办公室的类比，IP 的美妙之处在于个协议不必做所有事情。在办公室，我们使用 HTTP 进行网页浏览，使用 FTP 进行文件传输，使用 IMAP 进行邮件，每种协议都专门用于特定功能。Ethernet-APL 就是这样。

　　问：从安装基础的角度来看，在管理智能仪器和与智能仪器通信方面，仪器技术人员和工程师社区对 HART 协议的适应程度远胜于任何其他协议。当人们开始采用与传统 HART 仪器并行的以太网 APL 仪器时，使用大多数人已经使用了 30 多年的相同协议、相同工具和互操作性生态系统难道不是很有意义吗？

　　答：当然。并考虑设备信号类型的混合。假设您现在正计划建立个基于 Ethernet-APL 的工厂。我们很快就会在 DCS 和 PLC 中看到 Ethernet-APL，因此主工厂的核心过程控制采用 Ethernet-APL 没有问题。但是安全系统、火气系统和机械保护呢？

　　我认为他们采用 Ethernet-APL 的速度会慢些，所以目前倾向于使用 4-20 mA/HART 设备。我也相信像锅炉制造商这样的封装单元供应商将需要段时间来采用 Ethernet-APL，因此他们现在还将提供配备 4-20 mA/HART 的模块。而且，正如我们所讨论的，Ethernet-APL 对于某些仪器类型比其他仪器更有意义，因此需要段时间才能通过 Ethernet-APL 实现所有功能。

　　我们不要忘记无线传感器。工厂现在使用无线传感器代替便携式测试仪进行振动、超声波泄漏测试、腐蚀检查的超声波厚度测试而不是温度枪等。工厂安装了无线传感器，而不是机械压力和温度计、视镜和可变面积流量计。这些无线传感器使用 WirelessHART。很明显，如果 Ethernet-APL 设备也使用 HART-IP，那么管理这种仪器组合会变得容易得多。

　　因为 HART-IP、4-20 mA/HART 和 WirelessHART 都是 HART，所以它们的工作、外观和感觉都相同。仪器工程师和技术人员可以使用相同的工具和工作流程。它只是让他们的工作变得更加容易。许多功能和术语很常见。而且，“哦，顺便说句”，您可以将 HART-IP 直运行到云端。我们已经从工厂的无线网关运行 HART-IP 到云中的分析，而无需转换为中间协议。更快的采样时间意味着更快的控制回路，这意味着更好的控制。更快的响应时间还意味着经批准的以太网 APL 设备可用于功能安全。

　　使用数字，我们可以避免与模拟信号相关的隐蔽故障。如此高的速度使安全仪表功能、火灾和气体以及机械保护系统能够通过硬接线实现数字化。也就是说，所有工厂系统都可以采用 Ethernet-APL。这也意味着许多设备将具有嵌入式 Web 服务器，因此您可以从 Web 浏览器配置、诊断和管理它们。

　　并且随着设备内存的增加，FDI 包，即设备描述文件，可以存储在设备上并自动上传到您的系统中，因此您不必在网上搜索准确的文件。同样，说明手册和其他文档可以存储在设备中并上传，因此您不必上网寻找适合您特定设备的文档。

　　问：我认为很明显，所有这些 4-20 mA HART 设备不会很快消失。我的意思是，如果你看下新工厂的建设速度，当然在美国，并没有很多新工厂在建。4-20 mA HART 将持续数十年。此外，在正在进行的 WirelessHART 安装中，混合环境中的些共性无疑是使用 HART-IP 的个卖点。

　　答：用户已经必须每隔几年升他们的 DCS，以及他们的设备管理软件。因此，在短期内，他们应该确保在下轮更新中支持 HART-IP。

　　HART IP 不仅适用于以太网-APL 设备，它还用于 HART 多路复用器和 WirelessHART 网关。所以不要等到下个新工厂升到 HART-IP。事实上，您可能已经将些仪器通信信任到 HART-IP，但只是没有意识到这点。如果您有 WirelessHART，HART-IP 也在那里——在后台工作，但准备好做更多事情。