这玩意儿不赖！——聊聊HART协议（6）（留言赠书）

剑指工控

发布于 2024-06-04 09:55:25

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HART-IP over Ethernet-APL

随着以太网在广泛领域中不断取得成功，从企业网络到工厂网络，再到控制网络，最后到现场网络，以太网不断向生产现场延伸。事实上，它以往被用作工业自动化应用的介质，尤其是在计算机、控制器和远程I/O之间有许多基于以太网的工业通信协议。尽管有线以太网不断发展并以指数级速度增长，然而它在通信距离、供电、防爆和其他方面仍有许多限制，因此在向现场网络延伸时，还不适合连接工业现场设备，如果不加以修改，它不能满足过程自动化的要求。

过程工业已经有广泛使用的4~20 mA通信，它还可以与HART协议进行数字通信，以及纯数字现场总线基金会现场总线和Profibus-PA，但这还不够，还需要考虑一种新的通信形式。

不合适怎么办？现有标准不能满足要求怎么办？相关组织基于IEEE和IEC标准，专门为用于过程自动化制定了以太网高级物理层（Ethernet with an Advanced Physical Layer，Ethernet-APL）的标准，提供了延伸到现场的双线以太网连接，主要用于将现场设备（传感器和执行器）连接到控制网络。APL电源交换机往上层可通过工业以太网连接控制系统或云应用，往下层可以连接多台APL现场交换机。其相互间连线称为APL主干线（Trunk），主干线还可选择环形冗余连接方式。多台APL现场设备可分组通过APL支线（Spur）与多台APL现场交换机的端口连接。Ethernet-APL技术的系统结构如图10所示。如果系统简单，APL现场交换机也可以通过工业以太网直接连接控制系统或云应用。

图10 Ethernet-APL技术的系统结构

Ethernet-APL技术在向防爆区域使用、现场设备供电、信息高速传输、长通信距离等方面都能满足工业现场设备应用的要求。带有Ethernet-APL接口的APL现场设备，可支持Ethernet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他基于以太网的更高级别自动化协议。当Ethernet-APL与支持IP的HART版本HART-IP结合时，它提供了相同的熟悉度、可靠性和易用性，使HART又成为过程自动化新技术中的主要应用协议之一。

对于熟悉HART或WirelessHART的用户来说，借助HART-IP过渡到Ethernet-APL非常简单，因为它使用许多相同的数据结构，相似的软件工具，最终用户可以利用他们对HART和WirelessHART网络和通信技术的理解，将其应用于功能更强大的HART-IP over Ethernet-APL安装上。图11是以HART-IP为基础的Ethernet-APL系统架构，这里表示的是APL现场交换机通过局域控制网直接连接控制系统。

图11 以HART-IP为基础的Ethernet-APL系统架构

无论是控制器、资产管理应用程序还是其他经过认证的主机系统，HART-IP允许它们独立安全地访问并集成测量参数、设备配置和设备诊断信息，而且多个主机可以同时与现场设备交互。以往现场数据只能够通过控制系统送到管理层或者商业层，使控制系统成为信息传输的瓶颈。而现在，信息不必通过控制系统就可以从设备层直接到达管理层或商业层。

图11中除了新的Ethernet-APL设备直接连接到APL现场交换机以外，WirelessHART网关也可以接入Ethernet-APL现场交换机并由其供电，而HART设备通过APL远程I/O以HART-IP方式也接入Ethernet-APL现场交换机。这样原来支持有线HART、HART-IP的现场设备现在仍然可用，从而可以保护终端用户对有线HART、HART-IP相关技术和培训的投资。而针对Ethernet-APL系统传送容量大、速度快的优点，一些传感器多、信息量大、传输速度要求快的新型现场仪表或设备也将投入运行，如热成像系统、摄像机、本地操作员面板、激光雷达、多频谱的振动变送器、声音传感器等。在图12中综合展示了各类HART应用的系统图，这包括有线HART、WirelessHART、Ethernet-APL等应用。

图12 各类HART综合应用的系统图

在Ethernet-APL系统里，因为有了HART-IP，HART功能不再局限于监测和诊断，它还可以进行控制。在Ethernet-APL系统进行的测试表明，带宽足以满足大多数过程控制应用程序的要求。例如，即使150台现场设备每秒20次更新，也只消耗了10Mbps的30%可用带宽。

中国ZZ公司基于APL的E网到底整体解决方案也是由电源交换机、现场交换机、现场设备组成，除了APL现场设备可直接接入现场交换机以外，还新研制了功能类似现场交换机的APL无线网关（见图13）、APL SmartEIO。APL无线网关可接入WirelessHART、4G/5G等无线协议的现场仪表；APL SmartEIO是为普通HART设备接入Ethernet-APL系统研制的接口，其接入信号可以有多种，信号类型有AI、AO、DI(SOE)、DO、NAMUR、TC、RTD等，可在组态时由软件定义。无论是新建工程（国外俗称Greenfield Site，绿地工程）还是改扩建工程（国外俗称Brownfield Site，棕地工程），这样就在现阶段可以为Ethernet-APL系统大大扩展接入现场设备的信号类型和总的数量。