Описание Ethernet-APL (Ethernet Advanced Physical Layer)

Технологические установки работают более 20 лет и должны быть безопасны для людей, продукции и окружающей среды. Взрывоопасность во взрывоопасных зонах и суровых условиях требует, чтобы любое внедрение новой технологии проходило тщательную проверку и обеспечивало дополнительные преимущества для бизнеса. Технология не должна быть сложной в обращении или требовать обширного обучения. Ethernet является стандартом связи де-факто на предприятиях, но без модификации он не отвечает требованиям в области автоматизации процессов.

Ethernet с усовершенствованным физическим уровнем (Ethernet-APL ™ ) обеспечивает большую длину кабеля и взрывозащищенность за счет искробезопасности при передаче данных и питания по двум проводам.

Основанный на стандартах IEEE и IEC, Ethernet-APL поддерживает любой протокол автоматизации на базе Ethernet и превратится в единую, долгосрочную стабильную технологию для всего сообщества по автоматизации процессов. Этот технический документ описывает бизнес-среду, технические спецификации, последствия для различных типов пользователей и статус разработки Ethernet-APL.

Для целей настоящего технического документа термин "полевая шина" относится к технологиям цифровой связи в полевых условиях на технологических установках, таким как HART, FOUNDATION Fieldbus H1 или PROFIBUS PA.

Перерабатывающие предприятия сегодня конкурируют за производство большего количества продукции с меньшим количеством отходов, а низкая рентабельность требует увеличения выхода продукции при повышении качества. Цифровая трансформация делает все более целесообразным для компаний рассматривать возможность инвестиций для получения большего объема заводских данных от систем автоматизации процессов и контрольно-измерительных приборов. Однако для этого требуются новые процедуры и продукты, позволяющие получить доступ к этим данным из каждой части предприятия и извлекать больше пользы при каждом производственном цикле.

В обрабатывающей промышленности промышленный интернет вещей (IIoT) и Индустрия 4.0 уже являются частью повседневной деятельности, и в ближайшем будущем эти технологии также войдут в сферу автоматизации процессов и контрольно-измерительных приборов. В перерабатывающих отраслях в настоящее время используются специфичные для предметной области концепции, такие как открытая архитектура NAMUR (NOA) или стандарты автоматизации открытых процессов (O-PAS ™ ) Форума автоматизации открытых процессов (OPAF). попытка упростить эффективное строительство, ввод в эксплуатацию и эксплуатацию технологических установок. Более широкое использование беспроводных решений, упрощенная интеграция полевых устройств и Ethernet в полевых условиях представляют собой неотъемлемые компоненты этих концепций.

Ведущие поставщики решений для автоматизации процессов осознают потребность своих клиентов в добавлении универсальности и скорости передачи данных стандарта Ethernet к существующим установкам полевых устройств. Ethernet был внедрен на верхних уровнях пирамиды автоматизации и в полевых условиях с 4-проводными устройствами Ethernet, такими как приводы, расходомеры, анализаторы и центры управления двигателями. Однако для поддержки приложений в области технологических установок требуются усовершенствования. На рисунке 1 сравниваются атрибуты технологий, связанных с областью автоматизации процессов.

Ключевая группа этих ведущих поставщиков и организаций по разработке стандартов объединилась с целью ускорения разработки и принятия нового открытого стандарта физического уровня Ethernet для использования в автоматизации процессов и контрольно-измерительных приборах, которые могут быть развернуты во взрывоопасных зонах, обеспечивают подключение на большие расстояния и включают опцию питания устройств перейдя черту. Этот новый усовершенствованный физический уровень Ethernet, называемый “Ethernet-APL”, вместе с протоколами автоматизации, которые определяют структуру и значение информации, передаваемой на полевые устройства и с них, станет одним из ключевых факторов, способствующих внедрению IIoT в автоматизацию процессов. Это обеспечит жизненно важную предпосылку для распространения цифрового мира на автоматизацию процессов и контрольно-измерительные приборы.

В этом документе описывается стандартизация и разработка Ethernet-APL: единого, усиленного и надежного физического уровня с атрибутами, отвечающими требованиям для технологических установок. Ethernet-APL обеспечивает логическое расширение коммуникаций на основе Ethernet от корпоративных систем до полевых условий. Этот последний метр подключения Ethernet позволил бы любому корпоративному залу заседаний получать данные из всех регионов его обширной сети.

Соглашение о разработке технологии Ethernet-APL в рамках “Проекта APL” было подписано в 2018 году и поддерживается ведущими организациями по разработке отраслевых стандартов (SDO) FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation и PROFIBUS & PROFINET International, а также крупнейшими отраслевыми поставщиками средств автоматизации процессов, включая ABB, Emerson, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega и Yokogawa.

Технология подключения Ethernet к технологическим установкам

Технология подключения Ethernet к технологическим установкам Ethernet - это широко распространенный стандарт проводной цифровой связи, который стандартизирован в IEEE 802.3. Его широкое распространение в промышленности и домашних хозяйствах создало экосистему стандартизированных инструментов для установки, устранения неполадок и диагностики.

Это обеспечивает практическую эффективность, такую как:

• Низкие затраты на настройку сети
• Одинаковые наборы инструментов для устранения неполадок и поиска неисправностей в OT и IT
• Низкие затраты на установку

Однако физические уровни Ethernet сегодня не удовлетворяют специфическим потребностям, связанным с суровыми условиями окружающей среды на технологических установках. Чтобы быть подходящим для технологических установок, физический уровень Ethernet должен соответствовать следующим критериям:

• Двухпроводный кабель
• Длинные кабельные трассы
• Питание и связь по одному кабелю
• Поддержка всех методов взрывозащиты, включая искробезопасность
• Простая технология установки
• Потенциальное повторное использование существующего кабеля fieldbus типа ‘A’, что снижает стоимость и обеспечивает простую стратегию перехода с fieldbus на Ethernet-APL
• Устойчивость к электромагнитным помехам
• Поддержка защиты от перенапряжений

Ethernet-APL - это усовершенствованный физический уровень для однопарного Ethernet (СКОРОСТЬ) на основе 10BASE-T1I, как показано на рисунке 3. Он осуществляет связь по кабелю длиной до 1000 м со скоростью 10 Мбит/с в полнодуплексном режиме, что более чем в 300 раз быстрее, чем современные технологии, такие как HART или fieldbus. Это логическое расширение для Ethernet и обеспечивает атрибуты, необходимые для надежной работы в полевых условиях технологического предприятия.

Ethernet-API - это физический уровень, который сможет поддерживать EtherNet/IP, HART-IP, OPC-UA, PROFINET или любой другой протокол более высокого уровня.

Коммуникации основаны на 10BASE-T1, как определено в стандарте IEEE Std 802.3cg-2019, который внедряется поставщиками, обслуживающими многие сегменты рынка в области автоматизации зданий и промышленности.

< class="articles-text">Такой значительный объем рынка позволяет производителям полупроводников поставлять чипы в больших объемах, способствуя созданию долгосрочной, стабильной технологии и платформы, которые могут быть легко интегрированы в существующие устройства или контрольно-измерительные приборы.

Ethernet-APL включает в себя дополнительные характеристики, необходимые для технологических применений. Требования вытекают из установки на открытом воздухе и защиты взрывоопасных зон, помимо большой длины кабеля. Дополнительные электрические характеристики соответствуют соответствующим стандартам IEC и обеспечивают совместимость и простоту применения.

1. 2-WISE означает 2-проводной искробезопасный Ethernet. Данная техническая спецификация IEC, IEC TS 60079-47 (2-WISE) определяет защиту от искробезопасности для всех опасных зон и подразделений. Для пользователей это включает в себя простые шаги по проверке искробезопасности без проведения расчетов.
2. “Проект APL” создает концепцию Ethernet-APL, определяя профили портов для нескольких уровней мощности с защитой от взрывоопасных зон и без нее. Маркировка на устройствах и контрольно-измерительных приборах указывает уровень мощности и функционирует как источник или понижающий. Это обеспечивает простую основу для взаимодействия от проектирования до эксплуатации и технического обслуживания.
3. Ethernet-API позволяет подключать провода к клеммам винтового типа или с пружинным зажимом, таким образом поддерживая ввод кабеля через сальники. Кроме того, четко определенная технология разъемов обеспечивает простоту при монтаже.

Ethernet-APL разработан для поддержки различных топологий установки с дополнительными концепциями резервирования или отказоустойчивости, а также магистральных и ответвительных соединений. Ethernet-APL явно определяет соединения “точка-точка” только при каждом соединении между партнерами по связи, составляющем "сегмент". Коммутаторы Ethernet-APL, таким образом, изолируют связь между сегментами. Это устраняет помехи, такие как перекрестные помехи, и изначально защищает связь от сбоев устройства в другом сегменте.

Ethernet-API определяет два основных типа сегментов:

• “Магистраль” обеспечивает высокую мощность и уровень сигнала для длинных кабелей длиной до 1000 м.
• “Ответвление” обеспечивает меньшую мощность с дополнительной искробезопасностью для кабелей длиной до 200 м.

Профили портов определяют уровни мощности и коммуникационных сигналов, обеспечивая интероперабельность.

• Коммутатор питания подает питание и связь на один или несколько магистральных портов. Обычно он питается от внешнего источника.
• Полевой коммутатор предоставляет по меньшей мере один порт, к которому может быть подключен ответвитель. Он может питаться через магистраль Ethernet-API или извне.

Пример топологии для "длинного кабеля" с расстоянием между коммутаторами на магистрали до 1000 м и ответвлениями до 200м.

Архитектура управляемой коммутируемой сети, экономичная мощность до 60 Вт и скорость передачи данных 10 Мбит/с обеспечивают превосходную масштабируемость в отношении количества подключаемых коммутаторов Ethernet-APL и приборов. Кроме того, Ethernet-APL обеспечивает передачу и включение функций с более высоких уровней модели ISO-OSI. Эти функции более высокого уровня удовлетворяют общим требованиям к простоте, удобству и автоматизации самой сети, которые пользователи обычно ожидают от связи на основе Ethernet.

К ним относятся:

• Автоматическое определение местоположения на коммутаторе, обеспечивающее простой обмен устройствами.
• Несколько каналов связи, которые могут работать параллельно. Пользователи получают полный доступ к полевым инструментам для управления активами и информационным панелям параллельно и без вмешательства в коммуникации для автоматизации процессов.
• Концепции кольцевого резервирования или отказоустойчивости на сетевом уровне перенаправляют коммуникации в случае сбоя магистрального сегмента Ethernet-API для обеспечения более высокой доступности оборудования.

Ethernet-API предоставляет единую и высокопрочную версию Ethernet, подходящую для технологических установок. Она обеспечивает максимально возможную простоту управления всеми аспектами цифровой связи в полевых условиях.

Подводя итог, можно сказать, что Ethernet-API поддерживает эту новую парадигму обработки данных благодаря технологической согласованности в рамках пирамиды автоматизации. Благодаря технологии Ethernet в области технологических установок операционные технологии (OT) интегрируются с ИТ-технологиями, и достигается концепция единой сетевой технологии.

Доступ к полевым данным позволяет предоставлять новые цифровые услуги в соответствии с бизнес-потребностями технологического предприятия. Технология Ethernet обеспечивает доступ к этой информации в режиме реального времени. Вряд ли существуют какие-либо ограничения для дальнейшей обработки данных в рамках приложений IIoT, например, требуемых NAMUR Open Architecture (NOA).

Информационные панели обслуживания или мониторинг тенденций значений процессов поддерживают оптимизацию конкретного процесса.

Ethernet-APL (расширенный физический уровень) предлагает значительные преимущества конечным пользователям в перерабатывающей промышленности, обеспечивая бесперебойное подключение между полевыми устройствами с использованием протокола Ethernet и значительно упрощая создание высокопроизводительных сетей автоматизации.

От простых датчиков до сложных аналитических приборов – в процессе производства мы находим миллионы установленных устройств, и каждый год добавляются новые миллионы. Даже сегодня большинство устройств по-прежнему используют технологию 4-20 мА, возможно, дополненную цифровой двухточечной связью по протоколу HART.

Это верно, несмотря на то, что примерно три десятилетия назад были представлены цифровые полевые шины, такие как PROFIBUS PA и FOUNDATION Fieldbus H1, которые используют централизованную коммуникационную сеть для обеспечения систем управления другими данными измерений в дополнение к простым значениям процесса, а также многими параметрами и состояниями полевых устройств. Очевидно, что развертывание этих полевых шин ограничено сравнительно небольшим числом – часто узкоспециализированных – приложений из-за их сложности и характеристик производительности.

В прошлом году, с целью устранения этих препятствий, был принят новый стандарт Ethernet-APL для обеспечения непрерывной связи Ethernet вплоть до полевых устройств. Стандарт учитывает специфические требования перерабатывающей промышленности, такие как преодоление больших расстояний с помощью простого двухпроводного кабеля, который не только обеспечивает передачу данных, но и подает питание на подключенное полевое устройство. При скорости передачи 10 Мбит/с скорость передачи намного выше, чем при использовании HART и полевых шин. Соответствующие определения характеристик также позволяют внедрять искробезопасные устройства. Поскольку Ethernet-APL ограничивается определением нового стандарта обмена данными для Ethernet на самом низком уровне, он сохраняет совместимость с произвольными протоколами на основе Ethernet на более высоких уровнях. Впервые это обеспечивает прозрачную связь между производственными и даже корпоративными сетями, вплоть до полевых устройств, без необходимости в шлюзах. Это также позволяет свободно выбирать протокол автоматизации и другие удобства, такие как веб-серверы, OPC UA и подключение к облаку/границе.

Ethernet-ACPI (расширенный физический уровень) определяет детали применения Ethernet-связи к датчикам и исполнительным механизмам для перерабатывающей промышленности и будет опубликован в соответствии с IEC. Ведущие компании в области автоматизации процессов совместно работают над тем, чтобы Ethernet-APL работал по промышленным протоколам Ethernet и ускорить его внедрение.

Ethernet-APL основан на новом стандарте физического уровня Ethernet 10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019), утвержденном 7 ноября 2019 года, и определяет реализацию и методы взрывозащиты для использования во взрывоопасных зонах. Ведущие компании в области автоматизации процессов работают вместе под эгидой PROFIBUS и PROFINET International (PI), ODVA, Inc. и FieldComm Group, чтобы заставить Ethernet-APL работать по промышленным протоколам Ethernet и ускорить его развертывание.

Почему важен Ethernet-APL?

Ethernet-APL изменит мир автоматизации процессов, обеспечив высокую пропускную способность и бесперебойное подключение Ethernet к полевым устройствам. Это решает проблемы, которые на сегодняшний день ограничивали использование Ethernet в полевых условиях. Эти проблемы включают мощность, пропускную способность, прокладку кабелей, расстояние и использование в опасных местах. Решая эти задачи как при модернизации старых объектов, так и при установке новых, Ethernet-APL предоставит новые возможности, которые ранее были недоступны, такие как объединение переменных процесса, вторичных параметров и обратной связи о состоянии активов и беспрепятственная передача их на уровень управления. Эти новые идеи откроют новые возможности для анализа данных, оперативной информации и повышения производительности благодаря конвергентной сети Ethernet от полевых условий до облака.

Чтобы заменить связь от 4 мА до 20 мА или по полевой шине (Foundation Fieldbus или PROFIBUS PA) на Ethernet-API в приложениях автоматизации процессов, к датчикам и исполнительным механизмам необходимо подавать как питание, так и данные. Расстояние между устройствами полевого уровня и системами управления в приложениях автоматизации процессов было серьезной проблемой для существующих технологий физического уровня Industrial Ethernet, поскольку оно ограничено 100 м. Поскольку для автоматизации процессов требуются расстояния до 1 км, в сочетании с потребностью в очень маломощных и надежных полевых устройствах, пригодных для использования в зонах 0 (искробезопасных), потребовался новый подход к реализации технологии физического уровня Ethernet для автоматизации процессов. Ethernet-APL - это новый подход.

Ethernet-APL основан на возможностях физического уровня 10BASE-T1L для полнодуплексной, сбалансированной по постоянному току схемы связи "точка-точка" с модуляцией PAM 3 со скоростью передачи символов 7,5 Мбит/с, кодированием 4B3T. Он поддерживает два амплитудных режима: пиковое напряжение 2,4 В на расстоянии до 1000 м по кабелю и пиковое напряжение 1,0 В на меньшем расстоянии. Режим пиковой амплитуды 1,0 В означает, что эта новая технология физического уровня также может использоваться во взрывозащищенных системах (Ex) и соответствовать строгим максимальным энергетическим ограничениям. 10BASE-T 1 L обеспечивает передачу на большие расстояния по двухпроводной технологии как питания, так и данных по экранированному кабелю с одной витой парой.

Когда дело доходит до подачи питания на полевые устройства, Ethernet-APL может выдавать до 500 МВт в приложениях зоны 0, по сравнению с примерно 36 МВт, которые сегодня выдаются системами от 4 мА до 20 мА. В небезопасных с технической точки зрения приложениях возможна мощность до 60 Вт в зависимости от используемого кабеля. Благодаря значительно большему энергопотреблению, доступному на границе сети, можно подключать новые полевые устройства с расширенными возможностями, поскольку ограничения по питанию от 4 мА до 20 мА и полевой шине больше не действуют. Например, благодаря этой дополнительной мощности теперь возможны более высокие показатели производительности и улучшенная обработка данных на границе раздела. Это позволит получить ценную информацию о переменных процесса, которая теперь будет доступна через веб-сервер, работающий на устройствах полевого уровня (field assets), и которая в конечном итоге приведет к улучшениям и оптимизации технологических потоков и управления активами.

Чтобы использовать богатый набор данных, содержащий эти ценные новые данные, требуется канал связи с более высокой пропускной способностью для доставки наборов данных с этих новых полевых устройств через технологическую установку в инфраструктуру на уровне предприятия или в облако для обработки.

Ethernet-APL устраняет необходимость в сложных, энергоемких шлюзах и обеспечивает конвергентную сеть Ethernet в областях информационных технологий (IT) и операционных технологий (OT). Эта конвергентная сеть обеспечивает упрощенную установку, легкую замену устройств и более быстрый ввод сети в эксплуатацию и настройку. Это приводит к более быстрому обновлению программного обеспечения с упрощенным анализом первопричин и обслуживанием устройств полевого уровня.

Преимущества решения Ethernet-APL

Благодаря переходу на Ethernet-APL отпала необходимость в дорогостоящих, сложных и энергозатратных шлюзах. Это также позволяет отказаться от чрезвычайно фрагментированной инфраструктуры полевых шин, которая создавала островки данных, где доступ к данным внутри устройств полевого уровня ограничен. Благодаря удалению этих шлюзов стоимость и сложность этих устаревших установок значительно снижаются, а созданные ими островки данных удаляются. Приложения для автоматизации процессов до настоящего времени использовали устаревшие стандарты связи, как показано в таблице 1, которые имеют ряд ограничений, преодолеваемых новым стандартом Ethernet 10BASE-T. 10BASE-T1L предоставляет возможность повторного использования некоторых из существующих установленных кабелей, создавая значительные возможности для модернизации установок автоматизации процессов с помощью Ethernet-APL на основе физического уровня 10BASE-T1L.

Новые устройства Ethernet-APL открывают новые возможности

Ethernet-APL обеспечит переход к бесшовным установкам автоматизации процессов, подключенным от поля к облаку, включая опасные места для производства продуктов питания и напитков, фармацевтических и нефтегазовых установок. При значительно большей доступной мощности могут поддерживаться новые полевые устройства с поддержкой Ethernet-APL с расширенными возможностями.

Эти новые устройства откроют богатые наборы данных для облачных вычислений с мощной аналитикой данных, стимулируя оптимизацию процессов с помощью полезной информации. Теперь станут возможными новые бизнес-модели для обрабатывающей промышленности, позволяющие осуществлять более сложные производственные процессы и создавать ценность на основе новой информации, которая теперь доступна.