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Ethernet-APL:運用行動依據的情資推動流程最佳化
 

【作者: Maurice O’Brien】   2021年04月09日 星期五

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Ethernet-APL(先進實體層)規範乙太網路通訊的應用細節,包括連續流程工業(process industry)中感測器與制動器之間的通訊,並將由國際電工技術委員會(IEC)公布規格。Ethernet-APL採用新的10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019)乙太網路實體層標準,這項於2019年11月7日審核通過的標準針對在危險地點中的使用規範了實務以及擴充保護方法。連續流程自動化廠商正在包括PROFIBUS and PROFINET International(PI)、ODVA公司及FieldComm Group 的帶領下,聯手讓Ethernet-APL能在各種工業乙太網路協定運行,以及加快部署的進程。


為何Ethernet-APL如此重要? Ethernet-APL將改變流程自動化的世界,讓現場裝置能進行高頻寬、無縫式的乙太網路連結。它解決了許多難題,這些問題一直限制乙太網路在實地環境的應用。相關的挑戰包括供電、頻寬、佈線、距離、以及在危險地點的使用。


藉由解決包括棕地(brownfield)升級與新綠地(greenfield)安裝面臨的這些問題,Ethernet-APL將促成以往未曾得到的情資,像是匯整流程變數、二次參數、資產健康回饋、以及和控制層之間的無縫通訊。這些新情資將開拓許多新的可能性,包括資料分析、營運情資、以及生產力改進等領域,透過匯整乙太網路在現場與雲端之間串連通訊管道。(圖一)



圖一 : 在流程自動化領域運用Ethernet-APL建立無縫乙太網路連結
圖一 : 在流程自動化領域運用Ethernet-APL建立無縫乙太網路連結

為取代4 mA 至20 mA 或現場匯流排通訊 (Foundation Fieldbus 或PROFIBUS PA),在流程自動化應用中採用Ethernet-APL,就必須為感測器與制動器提供電力與資料。


在流程自動化應用中,現場裝置與控制系統之間的距離,對於現有工業乙太網路實體層技術形成嚴峻挑戰,工業乙太網路的距離上限為100公尺。然而許多流程自動化應用需要長達1公里的傳輸距離,而且要求超低功耗,另外,有些強固型現場裝置必須在Zone 0(本質安全)區域運行,因此業界需要一種新方法來為流程自動化實現乙太網路實體層技術。


Ethernet-APL的開發基礎為10BASE-T1L實體層功能,結合全雙工、直流平衡、點對點通訊機制、7.5 MBd 符元率下執行PAM 3調變、以及4B3T編碼。它支援兩種振幅模式,2.4 V峰值支援最長1000公尺網線,另一種則是1.0V 峰值其傳輸距離較短。1.0 V峰值振幅意謂這種新實體層技術也能用在防爆系統(Ex)環境,並符合嚴格的最高能量限制。10BASE-T1L支援雙線技術執行長距離傳輸,使用遮蔽式雙絞線傳送電力與資料。


在為現場裝置輸送電力方面,Ethernet-APL能在Zone 0應用提供最高500 毫瓦的供電,對比現今4 mA至20 mA的系統輸送約36 mW的供電。在非本質安全應用中,依照使用的網線長度不同,最高可輸送60瓦的供電。


由於網路邊緣可用電力要高出許多,因此促成許多支援增強功能的新型現場裝置,因為破除了4 mA 至20 mA的供電以及現場匯流排的限制。舉例來說,更高的效能以及增強型邊緣資料處理,如今在額外增加的電力下都能實現。這也將促成高價值的情資,在現場裝置(現場資產)上運行Web伺服器來存取流程變數,最終在製程與資產管理方面推動改良與最佳化。


為運用這些寶貴新情資所蘊含的豐富資料集,我們需要更高頻寬的通訊鏈路從這些新現場裝置傳送資料集,通常是從各處流程傳到工廠基礎設施或一路傳到雲端進行處理。


Ethernet-APL不僅省去複雜又耗電的閘道器,還促成匯整式乙太網路連結資訊科技(IT)與營運技術(OT)兩大領域。這種匯整網路提供簡化安裝、簡易的裝置更換、以及更快的網路通訊與設定。結果是促成更快的軟體升級,以及簡化問題根源分析與現場層裝置的維護。


Ethernet-APL解決方案的優點

透過Ethernet-APL進行匯整,我們就不再需要昂貴、複雜、耗電的閘道器。另外還有助於擺脫極度碎片化的現場匯流排基礎設施,消弭衍生的資料孤島,解決現場層裝置內部資料存取受限的問題。除去這些閘道器後,這些既有設施的成本與複雜度就會大幅降低,衍生的資料孤島也能消除。


流程自動化應用一直採用既有的通訊標準,如表一所示,其存在著許多限制,如今已被10BASE-T1L Ethernet新標準所克服。10BASE-T1L有潛力重複使用一些現已安裝的佈線,為使用10BASE-T1L實體層的Ethernet-APL所佈建的流程自動化環境創造許多棕地升級的機會。


表一:4 mA 至20 mA 結合HART協定對比Fieldbus 與10BASE-T1L通訊

比較

4 mA 20 mA
結合HART協定

現場匯流排

10BASE-T1L

資料頻寬

1.2 kbps

31.25 kbps

10 Mbps

更高等級的乙太網路連結

複雜閘道器

複雜閘道器

無閘道器無縫連結

為儀器供電

低於40 mW

有限供電

IS: 500 mW

IS 最高到60 W

依纜線長度而定

知識/專業

縮減知識/ 專業

縮減知識/ 專業

所有大學畢業學生都熟悉乙太網路技術


要和Ethernet-APL裝置通訊,主控端處理器需要搭配內建媒體存取控制(MAC)或乙太網路交換器以及10BASE-T1L埠口(圖二)



圖二 : Ethernet-APL 現場層裝置以10BASE-T1L實體層元件進行數據連結
圖二 : Ethernet-APL 現場層裝置以10BASE-T1L實體層元件進行數據連結

Ethernet-APL 佈線與網路拓撲

10BASE-T1L標準並沒有定義專屬傳輸媒體(纜線),而是定義通道模型(回流損失與插入損失方面的規範)。通道模型很契合現今PROFIBUS PA 與Foundation Fieldbus所使用的fieldbus type A纜線; 因此某些已安裝的4 mA 至20 mA纜線有潛力可以用在Ethernet-APL。相比更複雜的佈線,單一雙絞線擁有的優點包括更低成本、更小尺吋、以及更容易裝設。


圖三顯示Ethernet-APL提案中的網路拓撲,稱為骨幹與分支(trunk and spur)網路拓撲。骨幹纜線最長可達1公里,實體層振幅為2.4 V峰值,支援Zone 1, Division 2防爆規範。



圖三 : 未來透過Ethernet-APL與10BASE-T1L進行無縫的邊緣至雲端連結
圖三 : 未來透過Ethernet-APL與10BASE-T1L進行無縫的邊緣至雲端連結

分支纜線長度最長可達200公尺,實體層振幅為1.0 V峰值,支援Zone 0, Division 1防爆規範。供電交換器位於控制層,除了提供乙太網路交換器功能,還為纜線供電(透過數據線)。在危險區域中,現場交換器位於現場層,使用纜線輸送的電力。現場交換器提供乙太網路交換器功能,將分支纜線上的現場層裝置連到骨幹,並將電力傳遞到現場層裝置。


多個現場層交換器連到骨幹線,即可讓大量現場層裝置能夠到網路。


新Ethernet-APL裝置創造新機會

Ethernet-APL將促成現場至雲端之間無縫傳輸,銜接各種流程自動化環境,其中包括食品與飲料業、製藥、石油天然氣等產業的危險廠區。由於有大幅增加的供電,新型Ethernet-APL現場裝置將能支援各種增強功能與特色。


這些新裝置將釋放眾多資料集的潛力,藉由強大資料分析支援雲端運算,以及透過可供行動根據的情資推動流程最佳化。連續流程工業的新商業模式將變得切實可行,造就出更複雜流程的生產線,以及從新的情資創造價值。


(本文作者Maurice O’Brien為 ADI 策略行銷經理)


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