彭瑜| 工业4.0一网到底 双飞燕最后一米 |工业互联网的突破

工业4.0转型

在从工业3.0到工业4.0的演变过程中，自动化领域将有四个自下而上的变化:现场输入/输出单元的数量将大大增加；PLC的控制功能转向分布式控制单元DCN和虚拟PLC。分布式制造执行系统(集中监控和集成制造执行系统)将会流行；顶层的企业资源计划和底层的制造执行系统之间的相互作用，以及“现场自动化云”形式的控制系统之间的相互作用将大大增加。

这些变化促使自动化体系结构从工业3.0时代的“金字塔”发展到工业4.0时代的“支柱”(图1)。这里的“支柱”是从底部到顶部和从顶部到底部的双向连接。只有采用以太网到底层、网络到顶层，才能保证底层控制和数据采集的确定性和低时延要求得到满足，同时还能满足上层信息系统的高带宽和高速数据传输要求，使两种完全不同的时间响应通信要求统一在同一网络架构中。

图1:从金字塔到支柱的演变

近年来，工业以太网的应用正以如此快的速度加速发展。从市场需求驱动分析，这无疑是智能制造和工业互联网发展的促进。智能制造和工业互联网迫切需要大量低成本的传感器来检测现场数据，而这些大量的传感器需要通过低成本的连接将数据从一个网络连接到以太网的顶层。

从技术支持的角度来看，除了TSN时间敏感网络的高速度和低延迟之外，还有单双绞线以太网电缆的出现和先进物理层研发的突破。这对双燕子，一个解决了低成本和灵活部署电缆的问题，另一个解决了恶劣工业环境下的长距离传输问题，因此以太网的发展起到了决定性的作用。

单对以太网固相萃取发展迅速

以太网技术在过去十年的进步令人印象深刻。单对以太网技术(SPE)和TSN技术的进步为工业自动化提高控制精度和生产率提供了基础条件。它还通过工业环境中的所有网络组件来促进工业互联网的部署，从而实现了从传感器到云到顶层采用以太网的夙愿。同时，它也有利于通过运营成本长期积累节约，将资本支出减少80%。新的独特的固相萃取协议的应用将带来更低的电磁干扰、更低的成本、更高的带宽，并进一步减轻工业网络电缆的重量。

“一网到底”的愿望由来已久。十多年前，当以太网开始广泛应用于我国的过程工业和离散制造业时，一些从事自动化应用的工程师提出了“一网到底”的想法。但是，现场层出现障碍，以太网不能满足现场仪表的连接要求。以流程工业为例。多年来，数以千万计的现场仪器通过一对双绞线传输DC 20mA模拟信号。即使有现场总线，最常用的HART也是将数字信号叠加在模拟信号上。至于FF协议，虽然它是一个32.15Kbps的数字信号，但它仍然使用了现场仪表最显著的特点，即一对双绞线既用作信号传输线又用作设备的电源线。多线系统使以太网的发展停滞了许多年。此外，现场的仪器电缆纵横交错，长达数百米甚至数千米，这是当时以太网物理层技术所无法企及的。离散制造业的应用也不容乐观。工业以太网中已经出现了至少12种通信协议。在一根以太网电缆上实现传输的兼容性也是一个难题。

然而，在工业自动化和过程工业领域，工业以太网的应用已经呈现出千里航行的趋势，大大超过甚至压倒了传统的现场总线。例如，2010年，现场总线应用的份额占工业通信的75%，工业以太网的25%。然而，到2020年，现场总线的应用预计将下降到38%，而工业以太网将上升到55%，工业无线通信将占7%(图2)。市场分析和发展趋势预测，到2025年，工业以太网将占70%，现场总线仅占20%，工业无线通信占10%。

图2:2:HMS在通信协议方面的市场比较

从2010年到2025年，工业以太网的市场份额在15年内增长了280%。

图3:工业以太网增长率达到280%

以太网的出现源于电缆和物理层的新突破，以及对时间敏感的网络TSN向实际应用的加速。

单双绞线水平空出生

以太网的引入始于1980年左右，当时使用同轴电缆。自1990年以来，对称电缆(即双绞线电缆)和光缆已被广泛使用。当时，两对双绞线电缆(即100Base-TX)分别用作传输线路和接收线路。虽然这一原理仅限于100兆位/秒，但直到现在它仍被用作工业自动化系统技术中的主要传输以太网。通常采用星形扭曲结构的设计方案。为了实现更高的1千兆位/秒和10千兆位/秒的传输速率，所选择的技术方案需要4对对称双绞线和8针连接器。近年来，一对双绞线的以太网电缆与前十年的两对和四对以太网电缆有明显的区别。表1给出了从1990年到2019年发布的IEEE 802.3以太网电缆的规格和相关参数。

表1:1:IEEE 802.3以太网电缆规范

通常，IEEE 802.3标准定义了以太网的传输协议，并定义了连接网段(不同的网段，但传输电缆通道相同)的最低要求。在电气和电子工程师协会标准的基础上，国际电工委员会的标准开发小组还将为不同应用领域所需的电缆布线组件(电缆和连接器)定义标准。

固相萃取连接器标准正在积极开发中。国际电工委员会标准委员会标准委员会已于2020年1月确认并颁布了国际电工委员会标准63176。

单双绞线解决方案的背景可以追溯到工业4.0、工业互联网、智能制造等的主流发展。它要求高可用性、短访问时间(包括快速数据分发和高速数据传输)和时间确定性数据通信，同时还要求用于数据通信的基础设施解决方案具有足够的性价比。这意味着设备、电缆及其敷设和连接件需要更高的性能、更轻的重量和强度、更高的模块化和兼容性。从图4可以看出，使用单双绞线以太网电缆将大大减轻电缆的重量。另一个非常重要的要求是在一对双绞线上同时实现数据传输和功率传输，即根据IEEE 802.3bu规范的定义实现PoDL(数据线供电)。

图4:单双绞线以太网电缆可以大大减轻电缆重量

单双绞线以太网电缆的应用相当广泛。除了使用10兆位/秒速率传输工业现场设备外，还迫切需要运输设备，包括火车、轨道交通、汽车、卡车等。这类需求的传输距离相对较短，一般为15米(非屏蔽双绞线)至40米(屏蔽双绞线)。以太网技术仍在发展中。美国电气和电子工程师学会发布了单双绞以太网电缆的更高速率标准，如1千兆位/秒(带宽600兆位/秒)和100兆位/秒单双绞电缆100Base-T1。

有时间表

一切都如火如荼。根据以太网技术研究的进展和实际进展，不同应用市场所需的标准在不同的年份制定，然后逐步进入不同的市场。图5显示了单双绞线以太网进入市场的时间表。例如，2015年发布的IEEE 802.3bw采用100BASE-T1，速度为100Mbps，最大传输距离为15米。这符合汽车行业的需求情景。2019年发布的IEEE 802.3cg以10兆位/秒的速率使用10 base-T1；。这是为过程工业中现场仪器的传输要求而定制的。然而，由于过程工业中现场仪表以太网传输的独特性能要求，主干网的传输距离要求达到1000米，支路的传输距离也要求达到200米，并且有防爆和本质安全的特殊要求，这也是一个很大的挑战。目前，预计进入应用市场的时间是2022年。屏蔽单双绞线以太网在铁路运输系统中的应用预计到2025年。进入机器人和工厂自动化市场是2025年；楼宇自动化的应用将在2028年。

图5:单双绞线以太网进入市场的时间表

图6:新型以太网电缆固相萃取的生态系统

图6显示了单双绞线以太网电缆SPE的生态系统。一系列标准(如基于IEEE 802.3的T1、IEEE 802.3bu等。)是围绕固相萃取技术建立的，固相萃取技术是固相萃取生态系统的核心。一系列组件和部件(如电缆、相应的连接器等。)是围绕这些标准开发的。相关设备(如控制器、交换器、各种传感器和执行器、人机界面/监视器等。)已经使用这些和其他所需的组件和组件进行了开发。最后，这些设备被用在各种应用场景中以形成应用系统(例如汽车工业、加工工业、运输工业等)。)。这样一个完整的生态系统确保固相萃取技术有着良好的市场前景。

高级物理层应用程序实用化

与此同时，与协议无关的高级物理层技术研究也悄然开始。高级物理层的APL计划始于2011年，当时汽车行业建立了一个开放联盟，以开发100兆位/秒的单双绞线以太网标准来满足自身需求。自那以后，其他加工行业也开展了类似的研究。在流程工业中，在几个最终用户组织的敦促和鼓励下，由几个解决方案供应商组成的小组已经开始开发一种先进的以太网物理层:它可以应用于所有工业通信协议，可以解决长距离传输，并且可以用于化学和石化工业中的爆炸和易燃危险区域。经过5年的研究，该方案的可行性得到了证实。2018年，在FieldComm、ODVA、PI等机构的推动下，西门子、ABB、罗克韦尔自动化、横河、E+H、P+F、KROHNE、菲尼克斯等仪器供应商及其他相关厂商组织了一个在现场使用以太网的计划，并推动了基于IEEE以太网标准的工业级解决方案的制定。其主要目的是将各种传感器/致动器和各种现场仪器仪表设备与基于IP的互联网连接起来。图6显示了高级物理层规范的开发和应用时间。

目前的进展是，IEEE标准委员会已于2019年正式批准了该标准。下一个工作中心将移交给国际电工委员会。危险区域保护方法和一致性测试标准等标准将于2020年和2021年完成，预计2022年投入使用。事实上，德国的飞马座P+F等公司已经成功开发了相应的原型和系统，并正式发布和测试了相关标准。

图7:高级物理层应用程序开发和应用程序时间表

简而言之，APL是一个增强型双线环路供电以太网物理层，使用的是IEEE 802.3cg协议10BASED-T1L。APL可用于将现场设备直接连接到以太网系统。由于交换机结构的使用，它为消除连接在同一网络上的设备之间的干扰奠定了良好的基础。

应该清楚，APL只是有线物理层和无线物理层之一。在开放系统互连的OSI 7层模型中，物理层和高层协议完全独立运行，APL也不例外(见图8)。但是，它与普通以太网、快速以太网和千兆以太网等有线物理层有很大的不同，它是专门为工业现场仪表的以太网连接而设计的，使用双绞线电缆进行通信和现场设备的供电，完全满足当今工业现场仪表的双线制要求和特殊的防爆和本质安全要求。

图8: APL只是各种有线物理层之一

它可以用于任何基于以太网的协议或应用。首先，有必要在以太网电缆的双绞线中容纳不同的工业以太网协议。正在推广应用编程语言的现场通信主要涉及以太网/IP、HART-IP和Profinet。协议是一种基于协议的协议。它是为全球过程工业中安装的1500万个HART现场仪表无缝接入基于IP的以太网而开发的。显然，如此大量的现场仪表设备是一笔非常可观的财富，在升级技术时不可忽视。

过程工业的最终用户权威机构NAMUR对用于过程自动化的以太网通信系统提出了以下要求:与集散控制系统技术和现场设备的集成；支持双线和四线仪器；可用于危险和非危险区域；连接方法简单可靠；满足安全性和可用性的高要求。应用于流程工业的基于以太网的通信平台应具体满足以下性能要求:传输速率为10兆位/秒，然后发展到100兆位/秒；双线电缆，即与国际电工委员会61152中规定的现场总线相同的A型电缆；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；应用本质安全的可能性(大功率干线的概念可以与FISCO相比)；主干网可以提供30V/500毫安的电力。

毫无疑问，这些是定制高级物理层的基础。

固相萃取和APL的应用前景

在流程工业中，NAMUR的开放体系结构(NOA)或OPA的过程自动化论坛(OPAF)都在倡导该领域的特征概念，做出创新性的努力来进一步简化过程设备的系统体系结构，使调试、调试和操作更加方便和高效。为了体现上述概念，以太网在现场设备中的实际应用是通过大量广泛使用的无线解决方案来实际实现其集成现场组件和组件的概念，简化现场设备的集成，并实现所谓的工业以太网一对一的理想。总之，以太网是流程工业采用IP技术的途径。例如，无线HART标准是在2007年宣布的，而HART-IP是在2012年发布的，它定义了以以太网速度传输的HART协议。

图9是使用APL代替现有现场总线的过程工业现场仪器基础设施的示例。与使用图9的现场总线的过程工业现场仪器基础设施相比，可以明显发现前者大大简化了层次结构，从而使得调试、调试和操作更加方便。在图9中，所有现场仪表(包括防爆区域内的仪表)通过APL连接到现场交换器。现场交换机只需连接到另一个连接到上层以太网的交换机，就可以形成两层以太网架构。与图10所示的系统不同，现场仪表需要连接到不同的现场总线(HART、ff、Profibus/DP等)。)，这些现场总线的子系统需要通过其控制系统与专用工业以太网集成。通过工业以太网和上层以太网连接，现场仪表测量的各种参数可以发送到挂在以太网上的各种操作服务器和资产管理服务器。一旦有了更多的层次，系统的结构就变得复杂，通信速度显然要慢得多。

图9:使用APL的现场仪器基础设施示例

图10:当前在过程工业中使用的系统架构被用于过程工业站点中的APL的拓扑

图11:现场使用的以太网拓扑示意图

高级物理层APL采用星形结构。位于0区(即爆炸性气体混合物连续或长时间存在的地方)的现场仪表采用分支形式的双绞线电缆连接，分支长度不得超过200米。现场交换器必须位于1区(即在正常情况下可能出现爆炸性气体混合物的地方)；通过主干网连接多个现场交换机，主干网长度不得超过1000米。防爆区的现场交换器没有电源。电源来自非防爆区的交换器。在这种类型的交换机中，防爆区域内的现场以太网接入表有一个特殊的电源。图11显示了现场使用的以太网拓扑的示意图。

图12显示了固相萃取在工厂自动化中的应用案例。如上所述，固相萃取进入工厂自动化应用的时间表定于2025年，但应用生态系统已经在准备中。现场安装的传感器/执行器连接到各自的输入/输出模块。输入/输出模块由固相萃取器以链式结构连接，然后连接到交换机。固相萃取可以使用单双绞线电缆或4双绞线电缆，具有更高的性价比。如果采用多点拓扑，最大节点数为8，长度应控制在20米以内。也可以使用星形拓扑。所有这些输入/输出数据都通过交换机传输到相关的可编程逻辑控制器。

图12:工厂自动化中固相萃取的应用案例

结束语

近年来，在中国推动工业互联网的公众舆论异常热情，并一直持续到今天。然而，很少有人提及和关注工业互联网的连通性如何实现以太网网络架构的网络到网络和网络到顶层的重要性和技术颠覆，尤其是单双绞线以太网电缆和高级物理层。两年来，作者一直呼吁这样做，但回应很少。据了解，中国一些行业标准化主管单位只参与跟踪一些国外相关行业通信组织的固相萃取和APL的进展，而没有系统的研发活动。令人欣慰的是，主要生产网络电缆的浙江省德清市兆龙互联科技有限公司参与组建了以德国企业为主的SPE合作伙伴网络。

想象一下，如果没有高质量、低成本的现场仪器和传感器联网，那么来自工业互联网的数据从何而来，如何实现现场端缘云的可靠连接？工业互联网迫切需要部署大量低成本的传感器，大量低成本的传感器需要低成本的以太网电缆和相应的连接器将它们可靠地连接到边缘和云。这些基本任务不能回避或绕过。

现在距离实施单双绞线以太网电缆和高级物理层还不到两年，时间已经不多了。中国应立即着手准备和研究中国工业的对策，并采取积极措施欢迎和拥抱这一新兴技术，促进工业互联网这一基础技术在中国的实施和发展。

作者

彭宇:上海工业自动化与仪器研究所，中国计划组织

阅读和编辑

林雪平:南山工业学院创始人、北京联讯电力咨询公司总经理

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