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作者简介 彭瑜（1938—），男，毕业于清华大学热能工程系，教授级高级工程师，PLCopen中国组织名誉主席，中国自动化学会仪表和装置专委会名誉常务委员，工信部智能制造标准化体系建设工作组专家，国家智能制造标准化协调推进组专家咨询组专家，国务院特殊津贴获得者；长期从事工业生产过程自控系统的设计、现场总线和工业通信在控制系统的应用研究工作，E-mail:pengyux1938@163.com 摘要： 关键词： 0 引言 十多年前，当以太网在我国流程工业和离散制造业开始获得广泛应用时，有一些从事自动化应用的工程师提出了“一网到底”的设想。不过拦路虎出现在现场层，即以太网不能满足现场仪表的连接要求。仅以流程工业为例，多少年来数以几千万台套计的现场仪表，一直都是通过一对双绞线传送DC 4~20 mA的模拟信号。即使出现了现场总线，用得最普遍的HART仍是在模拟信号上叠加了数字信号；基金会现场总线（foundation fieldbus，FF），虽然是32.15 kbit/s的数字信号，但其仍然沿用现场仪表最显著的特征，即一对双绞线既作为信号传输线，又作为设备的供电线。以太网的多线制到此不得不停滞不前。更何况，现场仪表电缆纵横交错绵延数百米甚至上千米。这也是当时的以太网物理层的技术难以逾越的。工业以太网在离散制造业的应用，虽然出现了至少十几种的通信协议，但其都不能在一根以太网电缆上完成传输相容。这也是一时难解的问题。 当前，以太网技术的进展令人刮目相看。单对以太网（single pair ethernet，SPE）技术和时间敏感网络（time sensitive network,TSN）技术的进展为提高工业自动化控制的精确度和生产率提供了基础条件，也正推动在工业环境下所有联网组件实现工业互联网的部署，从而采用以太网实现从传感器到云端的一网到顶的夙愿。同时，这也有助于通过运行费用节省的长期积累，使资本性支出CapEx下降80%。显而易见，运用全新、独特的SPE协议，将会给工业网络带来更低的电磁干扰、更低的成本、更高的带宽，并将进一步降低电缆的质量。工业以太网增长情况如图1所示。 图1 工业以太网增长情况示意图 与此同时，在工业自动化和流程行业领域，工业以太网的应用也日趋拓展，大有超过甚至压倒传统现场总线的势头[1]。以2010年为例，现场总线应用市场份额约占工业通信的75%，工业以太网则占25%。可是到2020年，现场总线的应用预估将降低至38%，而工业以太网则将上升至55%；与此同时，工业无线通信也有了一席之地，将占7%。根据市场分析发展趋势预计，到2025年，工业以太网市场份额将升至70%，而现场总线的占有率将降至20%，工业无线通信的占比将提升至10%。从2010年到2025年，工业以太网的市场占有率的上升速率达到空前的280%。 值得深思的是：为什么工业以太网的应用在这几年会取得如此大幅度的提升？从市场的需求驱动分析，这无疑是基于智能制造和工业互联网发展的推动；从技术支撑角度来看，这与单对双绞线以太网电缆的问世以及先进物理层（advanced physical layer，APL）的研发突破有着密不可分的关系。 1 单对双绞线以太网电缆横空出世 以太网的推出始于1980年前后，当时使用的是同轴电缆。1990年以后，以太网电缆的解决方案侧重基于对称的电缆（即双绞线电缆）和光缆。当时采用两对双绞线电缆（即100Base-TX）作为发送线和接收线。其传输率限于100 Mbit/s。直到现在，工业自动化系统技术中的主要传输以太网，通常仍采用星绞结构（star-quad）的设计方案。为了达到更高的传输率（1 Gbit/s和10 Gbit/s），所选择的技术方案要求4对对称的双绞线，而且用8脚的连接件。近年来出现的1对双绞线的以太网电缆，与前十几年的2对和4对以太网电缆存在明显的差异。从1990年到2019年，所发布的IEEE 802.3以太网电缆规范及其相关参数如表1所示。 表1 IEEE 802.3以太网电缆规范及其相关参数 通常IEEE 802.3标准定义以太网的传输协议，并定义连接网段的最低要求（网段不同，但传输电缆通道相同）。在IEEE 标准的基础上，IEC的标准开发团队还要定义不同应用领域所要求的电缆布线的组成部分（电缆和连接件）的标准。例如：ISO/IEC 11801-1为信息系统应用通信电缆的一般要求，包括通信电缆的结构、拓扑、距离、安装、性能和测试要求；ISO/IEC 11801-2为办公室布线要求；ISO/IEC 11801-3为工业布线要求；ISO/IEC 11801-5为数据中心布线要求；ISO/IEC 11801-6为分布式建筑服务布线要求等。 单对双绞线电缆的解决方案的背景可以追溯到工业4.0、工业互联网、智能制造等主流发展，在要求提供高可用性、短存取时间（包括快速数据分发和高速数据传输）以及时间确定性的数据通信的同时，还要求数据通信的基础架构解决方案具有足够高的性价比[2]。这意味着设备、电缆及其敷设和连接件必须具备更高的性能、更轻的质量、更高的强度，以及高度的模块化和兼容性。单对双绞线以太网电缆可大大降低电缆质量。双绞线对数与电缆质量关系如图2所示。 图2 双绞线对数与电缆质量关系图 由图2可以发现，采用单对双绞线以太网电缆将大大减少敷设电缆的质量。此外，还有一个非常重要的要求就是在一对双绞线上同时实现数据传输和电源传输，即按照IEEE 802.3bu规范的定义实现数据线供电（power over data line，PoDL）。 单对双绞线以太网电缆的应用场合是相当广泛的。除了针对工业现场设备传输采用10 Mbit/s速率以外，在包括火车、轨道交通以及汽车、载重汽车等运输设备中也有迫切的需求。这一类需求其传输距离相对较短，一般为15 m（无屏蔽的双绞线电缆）至40 m（有屏蔽的双绞线电缆）。随着以太网技术的发展，IEEE已经发布了更高速率（如1 Gbit/s）的单对双绞线以太网电缆（带宽为600 Mbit/s）、100 Mbit/s 的单对双绞线电缆100Base-T1的标准。 根据以太网技术研究和实用化的进展，在不同的年份制定了不同应用市场所需的标准，然后逐步进入不同的市场。图3给出了单对双绞线以太网进入市场的时间表[3]。 图3 单对双绞线以太网进入市场的时间表 例如在2015年颁布的IEEE 802.3bw，采用100BASE-T1，速率为100 Mbit/s，最长传送距离为15 m，符合汽车工业的需求场景。在2019年发布的IEEE 802.3cg，采用10BASE-T1，速率为10 Mbit/s，是为流程行业现场仪表传输需求的场景量身定制的。不过，流程工业现场仪表的以太网传输有着自身非常独特的性能要求，即主干网的传输距离长达1 000 m，分支的传输距离要求200 m，而且还有防爆和本安的特殊要求。这又是很大的挑战。目前，预计单对双绞线应用市场的时间是2022年，带屏蔽的单股双绞线以太网进入铁路运输系统应用的时间为2025年，进入机器人和工厂自动化市场的时间为2025年，进入楼宇自动化市场的时间是2028年。 2 先进物理层即将进入实用阶段 先进物理层计划始于2011年。汽车行业为满足自身需要，成立了制定采用100 Mbit/s的单对双绞线以太网标准的开放联盟。此后，又有流程行业等发起了类似的研究。在流程行业，在几个最终用户组织的催促鼓动下，由若干个解决方案供应商组成的小组开始了与协议无关的APL的技术研究。其目标是研发一种以太网APL，既能适用于所有工业通信协议，又可解决长距离传送，并可用于化工石化等工业的易爆易燃的危险区。经过5年的研究，证实了这一解决方案的可行性。2018年，在FieldComm组织联合ODVA、PI等组织的推动下，西门子、ABB、罗克韦尔自动化、横河、E+H、P+F、KROHNE、菲尼克斯等一些仪表供应商和其他相关厂商，组织了一个将以太网用于现场的计划，推动了制定工业级的基于IEEE以太网标准的解决方案。其首要目的是将现场的各类传感器/执行器及各种现场仪表和仪表装置与基于IP的互联网相联接[4]。APL规范开发和应用时间如图4所示。目前，该工作的进度为：2019年，IEEE标准委员会已经正式批准；接下去的工作中心转移到IEC，要在2020年和2021年完成在危险区保护方法等标准和一致性测试标准；预计，在2022年投入使用。实际上，德国P+F等公司已经成功开发了相应的样机和系统，待相关的标准正式发布后即可进行相关的测试。APL规范开发和应用时间表如图4所示。 图4 APL规范开发和应用时间表 APL是加固的、二线制、回路供电的以太网物理层，采用IEEE 802.3cg协议10BASED-T1L。运用APL，可以把现场设备直接与以太网系统相连。由于其利用了交换器的结构，为消除连接在同一网络的设备之间的干扰打好基础。 应该明确的是，APL不过是包括有线物理层和无线物理层中的一种，开放系统互联（open system interconnect,OSI)模型如图5所示。图5中，物理层与高层协议的运行完全独立。APL也不例外。但APL与普通以太网、快速以太网和千兆以太网等有线物理层最大的不同在于，它是为工业现场仪表的以太网连接专门设计，采用通信与现场设备供电共用一条双绞线电缆，完全满足工业现场仪表沿用至今的两线制要求和特殊的防爆及本安要求。 图5 OSI模型示意图 APL的特点可概括如下。 ①任意基于以太网的协议或应用均可使用。 ②电源和数据共用一对带屏蔽的双绞线。 ③可用在采用任意方法防爆的危险区，具有本质安全特性，可采用简单的认证测试。 ④与任意IT网络实现透明连接。 ⑤可利用已在现场敷设的现有的双绞线电缆。 ⑥支持广泛用于现场总线的主干和分叉拓扑。 ⑦可在任意时间和任意地点进行设备存取。 ⑧在自动化和其他应用中都能实现快速、高效的通信。 表2列出了APL的依据标准和参数。 表2 APL的依据标准和参数 可用于任意基于以太网的协议或应用，其含义是要在一对双绞线以太网电缆中同时容纳不同的工业以太网的协议。例如：力推APL的FieldComm组织主要参与者的EtherNet/IP、HART-IP和Profinet。HART-IP基于TCP/IP的HART协议，是为已在全世界流程工业中安装的逾1 500万台HART现场仪表无缝接入基于IP 的以太网而开发的。显然，这样数量巨大的现场仪表设备是一笔十分可观的存量财富，不可能在技术升级时对其忽略不计。 作为流程工业最终用户的权威组织NAMUR，对用于流程自动化的以太网通信系统提出如下要求：能与分布式控制系统（distributed control system,DCS)技术和现场设备集成；支持二线制和四线制仪表；能在危险区和非危险区使用；连接方法简单和牢靠；满足安全和可用性的高要求。基于以太网并在流程工业中应用的通信平台，具体应满足以下性能要求：传输速率为10 Mbit/s，以后再发展到100 Mbit/s；采用二线制的电缆，即与IEC 61158-2所规定的用于现场总线的A型电缆相同；采用全双工传输机制；采用与现场总线相同的拓扑结构，即主干-分支拓扑结构；运用本质安全的可能性（高功率主干线概念，可与FISCO相比较）；主干网可供30 V/500 mA的电源功率。 3 流程工业应用APL的前景 在流程工业中，像NAMUR开放架构（NAMUR open architecture，NOA）或OPA的流程自动化论坛（open process automationTM forum，OPAF）都在倡导本领域特点的概念，即进一步简化流程装置的系统架构，使调试投运和运行操作更为方便、高效而进行的创新性努力。为了体现这些概念，通过大量而广泛地采用无线解决方案、简化现场设备的集成，以及实现工业以太网的所谓一网到底的理想，把以太网真正应用到现场设备，是其追求集成现场部件和组件理念的实际实现。总之，在流程行业中采用IP技术的路径非以太网莫属。例如：2007年宣布WirelessHART标准，2012年发布定义用以太网的速度传输HART协议的HART-IP等。 图6是某个运用APL替代现有的现场总线的流程工业现场仪表基础架构。 图6 运用APL的现场仪表基础架构图 目前流程工业使用的系统架构如图7所示。与图7所示的运用现场总线的流程工业现场仪表基础架构相比，可以明显发现图6大大简化了层次，从而更方便调试投运和运行操作。在图6中，所有的现场仪表（包括防爆区的仪表）均通过APL接入现场交换器，现场交换器只要与接在上位的以太网的另一交换器相连接，构成两层以太网的架构。而图7所示的系统，现场仪表要分别接入不同的现场总线（HART、FF、Profibus/DP等）。图7中，现场总线的子系统又需要通过其控制系统与专用的工业以太网集成起来，再通过工业以太网与上层的以太网连接，才能把现场仪表所测量的各种参数发往挂在以太网上的各种操作运行的服务器、资产管理的服务器等。层次一多，系统的架构就显得复杂，通信的速度也显然要慢许多。 图7 目前流程工业使用的系统架构图 为了配合单对以太网双绞线电缆的推广，国际工业标准化组织IEC分别开发了相关的电缆和连接件的标准IEC 61156和IEC 63171。IEC 61156-13和IEC 61156-14是应用于1 000 m长距离传输,带宽可达20 MHz的电缆标准。IEC 61156-11和IEC 61156-12是应用于距离在40 m以内,带宽高达600 MHz的高数据传输率的电缆标准。IEC 63171-5和IEC 63171-6是应用于工业环境（IP65/IP67）的SPE连接件标准。 4 用于流程工业现场的APL的拓扑结构 图8给出了用于现场的以太网拓扑结构原理图。 图8 用于现场的以太网拓扑结构原理图 APL采用星形结构，通过现场交换器将处于0区（即连续或长时间存在爆炸性气体混合物的场所）的现场仪表以分支的形式用双绞线电缆接入，分支长度不得大于200 m。而现场交换器必须处于1区（即在正常情况下有可能出现爆炸性气体混合物的场所）,通过主干网将多个现场交换器连接起来，主干网的长度不得超过1 000 m。在防爆区的现场交换器不设电源。其电源来自处于非防爆区的交换器。在这类交换器中,设有专门供给防爆区现场以太网接入仪表的电源。 5 结论 近年来，在国内推动工业互联网的舆论超乎寻常的热烈，而且持续至今。但是对于工业互联网的联接性如何实现以太网联网架构的一网到底和一网到顶，尤其是单对双绞线以太网电缆和APL的重要性和技术颠覆，鲜有人提及和关注。笔者前一两年曾在微信的一些公众号中呼吁过，但响应者寥寥。试想没有现场仪表和传感器、高质量、低成本联网，工业互联网的数据从何而来，又如何实现现场端-边缘-云的可靠连接？现在距离实施单对双绞线以太网电缆和APL还有不到两年的时间，时不我待。我们应该立即着手准备研究我国工业界的对策，并采取积极的措施迎接和拥抱这一新兴技术，推动工业互联网的这一基础技术在我国的落实和发展。 参考文献： [1] Belden white paper Single pair Ethernet in industrial field[R/OL].[2019-05-22]. www.belden.com/hubps/resouces/knowledge/white-papers. [2] Belden Report.Single pair ethernet gears up to impact industrial automation[R/OL].[2018-10-24]. https:///index.php?id=13919&parentid=74&themeid=255&hpid=2&showdetail=true&bb=1&appsw=1&sstr=Single%20Pair%20Ethernet. [3] FRITSCHE M.SCHMIDT R,ENGELS R.Single-pair based Ethernet transmission[J].Industrial Ethernet Book,2018(103):1-5. [4] MASTERS T.Innovations in the physical layer[J].Control,2018(10):4-6. 本文刊登于《自动化仪表》2020年第4期。 引用本文： 彭瑜.先进物理层——一网到底的最后突破[J].自动化仪表,2019,41(4):1-5. |
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