HART-IP：從4-20mA遷移到Ethernet-APL

基于4-20mA的HART協(xié)議在整個(gè)過(guò)程工業(yè)中仍然普遍存在，最終用戶可以利用他們對(duì)HART網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的理解，將其應(yīng)用于功能更強(qiáng)大的基于Ethernet-APL的HART-IP裝置。

HART通信協(xié)議是關(guān)于智能過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制或監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)字信息交換，適用于傳統(tǒng)的4-20mA模擬電流回路。然而，隨著新的數(shù)字介質(zhì)選項(xiàng)開(kāi)始應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)儀表服務(wù)——尤其是先進(jìn)物理層以太網(wǎng)（Ethernet-APL），更多的設(shè)計(jì)師和工程師熱衷于規(guī)劃最佳的前進(jìn)路徑。

Ethernet-APL是基于10BASET-1L標(biāo)準(zhǔn)的單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）規(guī)范的擴(kuò)展，它可以支持所有高階以太網(wǎng)通信協(xié)議，也支持在危險(xiǎn)區(qū)域部署的擴(kuò)展。采用者希望Ethernet-APL可以提供與4-20mA相同或更好的功能，特別是需要考慮目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作地點(diǎn)所面臨的挑戰(zhàn)，有時(shí)甚至是危險(xiǎn)的環(huán)境。

開(kāi)發(fā)人員還必須確定如何處理數(shù)據(jù)，包括與大量現(xiàn)有裝置的兼容性，以及哪些功能即將出現(xiàn)。2007年出現(xiàn)的HART-IP，支持輸入/輸出（I/O）系統(tǒng)、多路復(fù)用器、無(wú)線HART網(wǎng)關(guān)和其它儀表和設(shè)備之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信（圖1）。Ethernet-APL可以提供過(guò)程自動(dòng)化信令選項(xiàng)，HART-IP可以保護(hù)最終用戶在HART相關(guān)技術(shù)和培訓(xùn)方面的投資。

▲圖1: HART、WirelessHART以及HART-IP是現(xiàn)有過(guò)程自動(dòng)化通信和控制領(lǐng)域領(lǐng)先工業(yè)無(wú)線協(xié)議的演進(jìn)。圖片來(lái)源：FCG

01

從4-20mA遷移到Ethernet-APL

HART將數(shù)字通信疊加在傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)4-20mA信號(hào)之上。4-20mA信號(hào)是傳輸媒介，而HART是“通信協(xié)議”。通過(guò)這種配置，用戶可以在保留已知功能并保留現(xiàn)有投資的同時(shí)，還可以添加新的通信方式。HART是過(guò)程工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛的數(shù)字通信技術(shù)，可提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)，包括多個(gè)過(guò)程變量、儀表狀態(tài)、校準(zhǔn)和診斷信息。

一般來(lái)講，有線以太網(wǎng)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始商業(yè)化，并很快成為消費(fèi)和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主導(dǎo)。然而，盡管隨著有線以太網(wǎng)的不斷發(fā)展，功能呈指數(shù)式的增長(zhǎng)，但它仍然在距離、功率和其它因素方面存在諸多限制，使其不太適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。

從企業(yè)網(wǎng)絡(luò)到工廠網(wǎng)絡(luò)再到控制/現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)不斷向工廠車間靠攏。事實(shí)上，它現(xiàn)在被用作工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用媒介，特別是在PC、控制器和遠(yuǎn)程I/O之間，有許多基于以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議。為了使現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適用于工業(yè)用途，Ethernet-APL應(yīng)運(yùn)而生，并且非常適合將HART-IP引入現(xiàn)場(chǎng)儀表層。

02

Ethernet-APL的優(yōu)勢(shì)

Ethernet-APL結(jié)合了現(xiàn)有的最佳數(shù)字通信技術(shù)，并考慮了特定的工業(yè)需求，如延長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度、適用于危險(xiǎn)區(qū)域，具有強(qiáng)大的抗噪聲能力。用于過(guò)程自動(dòng)化和儀表的、Ethernet-APL熟悉的雙線安裝方法，網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)之間的距離可達(dá)1000米，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的距離為200米。

Ethernet-APL基于雙線以太網(wǎng)（10BASE-T1L），并向過(guò)程網(wǎng)絡(luò)變送器和執(zhí)行器傳輸數(shù)據(jù)和電力。Ethernet-APL基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3cg，數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbit/s。Ethernet-APL端口配置文件規(guī)范（FCG_TS10186，待定標(biāo)準(zhǔn)名稱為IEC TS 63444），進(jìn)一步定義了用于過(guò)程工業(yè)中使用的功率和其他參數(shù)，包括危險(xiǎn)區(qū)域（Class 1 Div 1, Zone 0和1；以及較不危險(xiǎn)的區(qū)域）。

為支持產(chǎn)品安裝，Ethernet-APL工程指南（FCG_AG10337）為工程師提供了Ethernet-APL網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、安裝和驗(yàn)收測(cè)試的關(guān)鍵信息。Ethernet-APL的成功部署需要遵循相關(guān)規(guī)劃步驟和精心設(shè)計(jì)的解決方案。

Ethernet-APL位于協(xié)議棧的第1層，即根據(jù)ISO/IEC 7498-1以太網(wǎng)制定的ISO/OSI協(xié)議棧中所定的物理層。Ethernet-APL是支持以太網(wǎng)的眾多物理層之一。與之前的自動(dòng)化技術(shù)不同，Ethernet-APL物理層獨(dú)立于OSI模型的其它層。

Ethernet-APL也可以與任何基于以太網(wǎng)的協(xié)議（例如HART-IP）結(jié)合使用。Ethernet-APL遵循NAMUR建議NE 74和NE 168的要求，以定義使用于整個(gè)過(guò)程自動(dòng)化行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

與4-20mA信號(hào)一樣，設(shè)備電源通過(guò)介質(zhì)提供。對(duì)于通常具有低功率要求的工業(yè)儀表來(lái)說(shuō)，它具有顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴恍枰惭b單獨(dú)的電源電路，意味著可以節(jié)約大量的資本和安裝成本。此外，與4-20mA類似，它還可以在危險(xiǎn)區(qū)域部署Ethernet-APL。

Ethernet-APL上的通信，以10Mbit/s全雙工運(yùn)行，周期約為10至2000ms。這比商業(yè)以太網(wǎng)慢，但對(duì)工業(yè)通信來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠快了，而且性能可以支持實(shí)時(shí)控制。Ethernet-APL使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行上層通信，并使用專用Ethernet-APL交換機(jī)進(jìn)行控制/現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)使用同一個(gè)物理層來(lái)支持多個(gè)協(xié)議的同時(shí)互操作（圖2）。

▲圖2：Ethernet-APL是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的工業(yè)級(jí)演進(jìn)。它非常適合將過(guò)程儀表與多個(gè)主機(jī)系統(tǒng)連接，并支持多種協(xié)議的同時(shí)運(yùn)行。圖片來(lái)源：FCG

03

Ethernet-APL和HART-IP

為了解決工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化使用Ethernet-APL的問(wèn)題，國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)基金會(huì)（FieldComm Group，簡(jiǎn)稱FCG）擴(kuò)展了HART-IP，使其具有安全性和更多功能，從而使HART-IP能夠部署在工廠網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)儀表層中，實(shí)施包括控制在內(nèi)的應(yīng)用。HART-IP使用簡(jiǎn)單，獨(dú)立于底層介質(zhì)，并且可以在任何網(wǎng)速下與冗余介質(zhì)（包括網(wǎng)狀和環(huán)形拓?fù)洌﹨f(xié)同工作。

HART-IP允許任何經(jīng)過(guò)認(rèn)證的主機(jī)系統(tǒng)（無(wú)論是控制器、資產(chǎn)管理應(yīng)用還是其它應(yīng)用）訪問(wèn)測(cè)量、設(shè)備配置和設(shè)備診斷信息并與之集成。在IP網(wǎng)絡(luò)上與儀表連接的、任何經(jīng)過(guò)認(rèn)證的主機(jī)系統(tǒng)，都可以獨(dú)立、安全地訪問(wèn)儀表，并且多個(gè)主機(jī)可以同時(shí)與儀表進(jìn)行交互。

有越來(lái)越多的支持HART-IP的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，下一代儀表將用于監(jiān)控、資產(chǎn)管理，甚至是直接控制應(yīng)用。FCG組織已準(zhǔn)備好測(cè)試系統(tǒng)和相關(guān)工具，以支持并實(shí)現(xiàn)Ethernet-APL上HART-IP產(chǎn)品的注冊(cè)。HART-IP測(cè)試基于FCG組織在HART和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)試方面積累的經(jīng)驗(yàn)。注冊(cè)有助于供應(yīng)商確保其推向市場(chǎng)的設(shè)備具有兼容性。

HART-IP支持通常的HART數(shù)據(jù)模型，使其向后兼容，但它的架構(gòu)也進(jìn)一步向前擴(kuò)展以支持以太網(wǎng)?，F(xiàn)有的HART工具可以使用HART-IP產(chǎn)品，并以以太網(wǎng)的速度從HART數(shù)據(jù)中獲益。HART始終能夠進(jìn)行雙向通信，HART-IP旨在支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的直接控制。

一個(gè)特別的優(yōu)勢(shì)是HART-IP可以簡(jiǎn)化和扁平化控制網(wǎng)絡(luò)，因此更高級(jí)別的控制器、應(yīng)用程序和資源就可以直接訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息。上一代工業(yè)自動(dòng)化硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)需要復(fù)雜和麻煩的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)中間控制器獲得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息，并傳遞到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。HART-IP有效且簡(jiǎn)潔地解決了這一需求（圖3）。

▲圖3：基于Ethernet-APL的HART-IP協(xié)議，使工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)扁平化，并使許多高級(jí)系統(tǒng)能夠訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息，以進(jìn)行監(jiān)控和直接控制，而無(wú)需任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸方案。圖片來(lái)源：FCG

雖然還有其它工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可用于控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)儀表服務(wù)，但是大量過(guò)程用戶已經(jīng)熟悉與HART相關(guān)的數(shù)據(jù)模型和工作實(shí)踐。在轉(zhuǎn)向新技術(shù)時(shí)，利用和擴(kuò)展現(xiàn)有的工具和工作實(shí)踐帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)較小，而不是翻來(lái)覆去地替換系統(tǒng)，那需要用戶不斷學(xué)習(xí)新的概念和協(xié)議。

HART在過(guò)程工業(yè)中有著悠久的歷史，并具有許多未開(kāi)發(fā)的潛力。HART-IP在更大程度上擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的可用性和可訪問(wèn)性。雖然公司可以開(kāi)發(fā)許多新的工具來(lái)利用更高的帶寬，但這些用戶并不需要等待，因?yàn)楝F(xiàn)有的HART工具可用于HART-IP產(chǎn)品。

04

確保符合Ethernet-APL的要求

前面提到的Ethernet-APL端口配置文件規(guī)范，定義了功率和其它參數(shù)，以將Ethernet-APL應(yīng)用擴(kuò)展到過(guò)程工業(yè)，包括危險(xiǎn)區(qū)域。Ethernet-APL網(wǎng)絡(luò)包括各種基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備（電源開(kāi)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)、介質(zhì)轉(zhuǎn)換器）和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（包括儀表、驅(qū)動(dòng)器、分析儀、電機(jī)控制器、網(wǎng)關(guān)等）。

合規(guī)性確保了各種產(chǎn)品在電源、保護(hù)和其它特性，始終符合特定的端口配置要求。Ethernet-APL技術(shù)的共同所有者，包括ODVA、OPC基金會(huì)、PI組織和國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)基金會(huì)，他們同意提供同一種物理層測(cè)試，以確保符合物理層規(guī)范和要求。

每個(gè)組織還提供對(duì)其支持的自動(dòng)化協(xié)議的測(cè)試。FCG組織現(xiàn)在為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和HART-IP現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（儀表、驅(qū)動(dòng)器等）提供注冊(cè)服務(wù)，從而確保供應(yīng)商和最終用戶的兼容性和性能。

05

為什么選擇基于Ethernet-APL的HART-IP？

過(guò)程自動(dòng)化最終用戶已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有的HART和WirelessHART工具、技術(shù)和培訓(xùn)進(jìn)行了大量投資。它們?cè)谟芯€和無(wú)線裝置中處于領(lǐng)先地位。最終用戶、原始設(shè)備制造商（OEM）以及為其服務(wù)的系統(tǒng)集成商都在努力尋找最佳方法，以實(shí)用而經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)采用更新和更高性能的技術(shù)，同時(shí)保留現(xiàn)有投資。Ethernet-APL和HART-IP使現(xiàn)有商業(yè)和工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化，以更好地滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求。

Ethernet-APL采用商業(yè)技術(shù)，使其成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。對(duì)于熟悉HART或WirelessHART的用戶來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換到HART-IP很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗褂昧嗽S多相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而且其軟件工具也很相似。最終用戶可以利用他們對(duì)HART網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的理解，將其應(yīng)用于功能更強(qiáng)大的基于Ethernet-APL的HART-IP裝置。

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關(guān)鍵概念：

■ HART-IP致力于保護(hù)最終用戶對(duì)HART相關(guān)技術(shù)和培訓(xùn)的投資。

■Ethernet-APL結(jié)合了過(guò)程制造業(yè)中現(xiàn)有的數(shù)字通信技術(shù)。

■Ethernet-APL采用商業(yè)技術(shù)，使其成為工業(yè)應(yīng)用的理想選擇，并在HART技術(shù)中使用許多相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

思考一下：

您如何在工廠中使用Ethernet-APL？它帶來(lái)了哪些優(yōu)勢(shì)？

- END -

▲本文來(lái)自于控制工程中文版雜志（CONTROL ENGINEERING China）2023年04月刊《技術(shù)文章》欄目：HART-IP 簡(jiǎn)化了向Ethernet-APL 的過(guò)渡

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原文標(biāo)題：HART-IP：從4-20mA遷移到Ethernet-APL

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