ETHERNET-APL工程流程

“工业以太网下沉到传感器和执行器”的愿景已经成为现实。在2021年6月的Achema展会上，Ethernet-APL被推出。这项技术基于一种2线制以太网，可向自动化系统的传感器和执行器传输信息和能量。Ethernet-APL基于2线制以太网标准IEEE 802.3cg，速率为10 Mbit/s。

另外，Ethernet-APL端口配置规范定义了在具有潜在爆炸性环境的过程工业等领域使用该技术的附加参数。下一步，潜在用户需要了解Ethernet-APL网络的设计流程。为此，Ethernet-APL项目提供了涵盖规划、安装和验收测试等主要领域的Ethernet-APL工程指南。

ETHERNET-APL协议简介

图 1 展示了根据 ISO/IEC 7498-1制定的以太网 ISO/OSI 协议栈。可以看出，Ethernet-APL 位于协议栈的第1层，即物理层，这也可以从所选择的缩写看出：APL代表高级物理层。还可以看出，Ethernet-APL是以太网使用的许多其他物理层之一，物理层的使用可以独立于上面的其他层。因此，Ethernet-APL 可以与任何基于以太网的协议，例如与 EtherNet/IP、HARTIP、OPC UA或PROFINET结合使用。

Ethernet-APL的设计符合NAMUR建议NE74和NE168中定义的要求。通过Ethernet-APL物理层，合作标准开发组织（SDOs）定义了一种通信解决方案，以满足流程工业对自动化领域融合网络架构的需求，并支持以下功能：

• 基于以太网的通信
• 2线制连接传感器
• 可靠、简单的连接技术
• 通过2线制连接为设备供电
• 可重复使用现有的电缆（取决于电缆类型）
• 现场仪表和交换机可在易爆环境下运行
• 在爆炸性环境中，可以在运行时更换支线上的故障现场仪表。在爆炸性环境中，可以在运行时更换支线上的故障现场仪表。

图 2 显示了常用的 100 Mbit/s 工业以太网物理层与Ethernet-APL物理层之间的差异。左上角显示的是控制器与组态和操作站的组合。这些设备通过 100 Mbit/s 工业以太网连接，且都需要辅助电源。以太网电缆使用了 4 根导线，使用铜介质时，通信通常以全双工模式进行，最长不超过 100 米。图 2 的中心是Ethernet-APL电源交换机，其位于上行链路侧，与 100 Mbit/s 工业以太网主干相连，并接收辅助电源。Ethernet-APL电源交换机将 100 Mbit/s 工业以太网转换为 10 Mbit/s Ethernet-APL，它使用 2 根导线（单线对），通过2根导线提供全双工通信，而Ethernet-APL干线则连接Ethernet-APL电源交换机和Ethernet-APL现场交换机，同时Ethernet-APL电源交换机为连接到 Ethernet-APL 网络的设备提供与数据并行的电能：在这种情况下指的是Ethernet-APL现场交换机和Ethernet-APL现场仪表，即APL现场仪表通过Ethernet-APL支线连接到Ethernet-APL现场交换机。此外，图片还显示了直接连接到 100 Mbit/s 工业以太网控制网络的现场交换机。为便于理解，本文将 100 Mbit/s 工业以太网网络（绿色）称为控制网络。

布线和连接技术

支持的Ethernet-APL电缆是一种平衡的屏蔽双绞线，其特性阻抗在100欧姆± 20%之间，频率范围为100kHz至20MHz（根据ASTM D4566-05或同等国际标准测量），通常用于 PROFIBUS PA和FOUNDATION现场总线H1。此导线截面范围为26AWG (0.14 mm²) 至 14AWG (2.5 mm²)，可采用实心线或多股细绞线。

Ethernet-APL网段的参考电缆类型是 IEC 61158-2 中规定的现场总线A型电缆，MAU类型 1和3，这种电缆符合IEC TS 6007947中描述的本质安全应用要求，也可用于非本质安全应用。Ethernet-APL端口配置文件规范中载有电缆参数的详细说明，其中定义了四种电缆类别（I 至 IV）。IV类电缆允许最长1000米的干线和200米的支线，IV类电缆允许最长1000米的干线和200米的支线，如果使用供电干线，最大干线长度还取决于电缆上的电压降，在这种情况下，预计主干电缆的距离会更短。供电干线的最佳实践范例可参见Ethernet-APL工程指南。

在使用现有的电缆基础设施时，必须确保数据传输的性能，并应根据 ISO/IEC 11801-3 进行检查。通常情况下，这项任务需要使用支持特定电缆参数测量的测量设备来完成。主干电缆应使用 ISO/IEC 11801-3的插入损耗限值，而支线电缆则应使用 ISO/IEC 11801-3 插入损耗限值的0.2修正系数，以反映最大200米支线电缆长度与最大1000米主干电缆长度的对比情况。

IEC 61156-13标准将规定使用实心导线的双线以太网单对电缆，但该标准仍在制定中，多股细绞线标准也将制定。根据IEC 61156-13，目前还不能确定对于Ethernet-APL哪些电缆可用，但大量现有电缆足以满足Ethernet-APL的要求。有关该标准适用性的信息将在之后提供。Ethernet-APL端口配置规范为Ethernet-APL设备定义了以下连接技术：

• 螺钉或弹簧夹接线端子/模块化接线端子
• M12 连接器，A型编码
• M8连接器，A型编码（不能用于本质安全电路）

ETHERNET-APL网络结构

Ethernet-APL能提供多种网络结构，用户可根据工厂需要设置Ethernet-APL网络。图 3则展示了其中一种可能的网络结构。该网络结构使用 100 Mbit/s 工业以太网和光纤电缆连接ETHERNET-APL现场交换机。这意味着 10 Mbit/s 高级物理层仅用于支线，而不用于现场交换机与控制网络的连接，现场交换机之间的连接使用工业以太网，运行速度至少为 100 Mbit/s，这一概念需要为现场交换机提供辅助电源。

图4所示系统使用供电Ethernet-APL干线。Ethernet-APL电源交换机将控制网络上的 100 Mbit/s 工业以太网信号转换为高级物理层信号，并为Ethernet-APL干线供电，因此，现场不需要辅助电源。Ethernet-APL现场交换机向Ethernet-APL现场仪表传输信息和电力。从图3和图4可以看出，这两种网络结构各有特点。

从图3和图4可以看出，这两种网络结构各有特点。下表比较了两种网络结构的特点，规划人员可根据网络结构的各自特点，选择最符合应用需求的网络结构。

防爆保护

易于使用的防爆概念是在易爆环境中应用通信技术的关键。与传统现场总线的FISCO概念类似，我们为 Ethernet-APL 开发了一种本质安全概念，这一概念被称为 2-WISE 概念（2 线制本质安全以太网），其定义见IEC TS 60079-47。它为用于Ethernet-APL供电支线的设备定义了通用的本质安全参数限制。图 5 显示了2-WISE方案的设置。本安型2-WISE供电支路可包括一个由交换机提供的本安型电源、一个由现场仪表提供的本安型负载端口和最多两个辅助设备（如浪涌保护器）。所有使用的设备都必须通过2-WISE认证。用于将交换机、现场仪表和辅助设备连接至支线的电缆最长可达200米，且必须符合以下规格：

电缆电阻Rc: 15 Ohm/km —150 Ohm/km

电缆电感Lc: 0.4 mH/km — 1 mH/km

电缆电容Cc: 45 nF/km —200 nF/km

如果一个2-WISE信号源端口、一个2-WISE负载端口和最多两个 2-WISE 辅助设备使用最长200米的电缆连接，则带电2-WISE支路应视为本质安全。系统的保护等级由保护等级最低的2-WISE 端口决定，2-WISE设备上标有 “2-WISE “和保护等级。在考虑了本安支线之后，现在应考虑现场交换机之间的连接。根据第 3 章所述的不同网络结构，可以得出相应的防爆保护概念。

图6显示了基于图3中最初介绍的网络结构的防爆概念。现场交换机位于2区，其不使用Ethernet-APL干线，通过光缆直接连接到了100 Mbit/s工业以太网控制网络。该拓扑结构具有以下特点：

• Ethernet-APL现场交换机单独供电，Ethernet-APL现场仪表通过现场交换机经由支线供电。
• 以太网控制网络（黄色线）至少被划分为2区，这里显示为光纤介质。
• 支线被归类为本质安全型Ex ia类，因此Ethernet-APL现场仪表可在1/0区使用。

如果现场交换机与现场仪表一起安装在1区，则可采用另一种结构。图7显示了使用供电Ethernet-APL干线的拓扑结构。该拓扑结构具有以下特点：

• Ethernet-APL现场交换机和Ethernet-APL现场仪表通过干线供电。
• 干线被划分为1区增强安全Ex eb类。
• 支线被划分为 1/0 区本质安全Ex ia类。
• 必须遵守供电干线的长度限制/电压降。

你也可采用其他配置。请参阅《Ethernet-APL 工程指南》，了解更多信息，并根据 NEC 500 使用等级和分类将这些概念应用于美国市场。

网络流量注意事项

Ethernet-APL 使用以太网数据帧来传输测量值。以太网数据帧的最小有效载荷为 46 字节。更小的有效载荷将被填充至最小有效载荷大小。以下的估算假设典型Ethernet-APL设备的测量值适合最小数据帧，即使使用多变量传输器也是如此，因此，以下计算假设数据帧的有效载荷为 46 字节。通过这一假设，图 8 所示的网络负载可根据设备数量和设备更新时间得出，Ethernet-APL最多可容纳 50 台设备。

网络负载的验证方法如下：假设Ethernet-APL网络的网络更新时间为50毫秒，网络上连接了20个传感器，我们在图8的x轴上选择20个设备，在这种情况下，必须选择蓝色曲线（50毫秒网络更新时间），然后就可以从Y轴读取网络负载，该值约为 2.8%，这是通过电源交换机向控制器传输数据的传感器的总网络负荷（入站流量）。由于Ethernet-APL支持全双工通信，因此可以同时实现从控制器到执行机构的数据通信（出站通信），入站流量和出站流量的计算原理相同。由此可见，只有在网络更新时间较快的情况下，网络负载才会成为问题。流程工业中的典型更新时间（100 毫秒—1 秒），即使单个网络上的传感器数量较多，也只会造成较小的网络负载。例如：更新时间为 1 秒的 150 个设备造成的网络负载为 1.1%，这就为配置、诊断和资产管理的非循环数据传输留出了足够的带宽。此示例的详细计算可参见《Ethernet-APL 工程指南》附录。即使Ethernet-APL在典型应用中提供了足够的带宽，也需要协议第2-4层提供适当的流量优先级支持，以确保实时通信不受非循环数据传输的干扰。

ETHERNET-APL的屏蔽概念

如第2章所述，ETHERNET-APL使用屏蔽电缆，根据EN 50310和IEC 603644 44标准，ETHERNET-APL网络的电缆屏蔽应在两端都接到公用接地网（CBN），这既适用于主干线，也适用于支线。图 9 显示了电缆屏蔽层在两端都接到公用接地网的情况，可以看出，元件或其外壳通过接地端子与 CBN 连接，与此同时，电缆屏蔽层与外壳相连。电缆屏蔽的接触面应足够大且阻抗低，网状CBN的优点是接地系统网状结构中的电流相对较小，这是因为CBN中有大量并联路径，因此，可以在两端连接电缆屏蔽层，且其不会出现电缆屏蔽层携带过大串流的风险。

如图10所示，如果没有网状CBN或等电位连接系统存在游离电流，电缆屏蔽应只在一端直接连接到 CBN，另一端需通过电容器连接到CBN。

Ethernet-APL现场仪表支持直接屏蔽。Ethernet-APL交换机既支持电缆屏蔽与等电位网络的直接连接，也可选择通过连接。请注意，通过电容器连接电缆屏蔽会降低电缆对磁场的抗干扰能力，例如，电流高于50 Hz的非屏蔽电源线（如连接电机和变频器的电源线）会产生磁场。为弥补这一缺陷，应增加Ethernet-APL电缆与电源线之间的最小距离。

根据 IEC 60079-14，只有在 “高度确保电路两端电位均衡 “的情况下，才允许在防爆区域将电缆屏蔽两侧接地，如果不能将等电位联结中的电流降至最低，即不能完全确保等电位联结，则必须防止电流从等电位联结流经屏蔽层，在这种情况下，IEC 60079-14规定采用单端接地或一端通过电容接地的两端接地，这会降低屏蔽的有效性。尽管如此，屏蔽层通过电容接地后，设备仍能满足通常的电磁兼容性要求，如有必要，可通过增加Ethernet-APL电缆与传输 50 Hz以上电流的电力电缆（如连接电机和变频器的线路）之间的距离来弥补这一缺点。

总结

本文简要概述了Ethernet-APL网络的规划原则。由于篇幅所限，本文仅涉及基本原则，详细信息将在《Ethernet-APL工程指南》中提供，那里将提供更多信息，包括最佳实践范例、迁移范例、安装说明、浪涌保护和验收测试说明。