PROFINET over Ethernet-APL 控制系统（4）——PROFINET与Ethernet-APL
往期回顾
5 PROFINET与Ethernet-APL
从上一节可以看到，从1991年的PROFIBUS到2004年的PROFINET，虽然是来自现场设备的数据可以通过接口模块、网关、链接器之类的设备转换后传送到作为以太网的 PROFINET，但现场层的信息传送仍然是通过现场总线这样的形式。
2021年，Ethernet-APL以太网高级物理层问世了，Ethernet-APL技术提供了基于单对线以太网的增强物理层，它根据IEEE和IEC标准，提供到现场的双线以太网连接，主要用于将现场设备（现场仪表和执行器）连接到控制网络。
Ethernet-APL作为以太网的逻辑扩展，提供了过程工厂现场可靠运行所需的属性。Ethernet-APL是OSI层模型(层号1)中多个物理层中的一个，支持OSI模型的5~7层（会话层、表示层和应用层）如EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高级别的网络，点了名的这四个网络包括由ODVA开发的EtherNet/IP、由FieldComm Group开发的HART-IP、由OPC基金会开发的OPC-UA和由PI国际开发的PROFINET（见图11）。
图11 过程控制用Ethernet-APL的OSI模型
以欧洲用户为主体的过程工业自动化技术用户协会NAMUR曾对上述四种网络表达过推荐其中两种的意见：PROFINET、EtherNet/IP。
目前大多数DCS/PLC系统已经支持 PROFINET，因此Ethernet-APL采用 PROFINET协议将非常简单。由于Ethernet-APL支持PROFINET，所以也对与PROFINET联系密切的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA现场总线提供了一些支持。
6 PROFINET over APL
PROFINET over APL是PROFINET工业通信标准中的一项技术，这将使成熟的PROFINET技术增添很多功能，使其“增值”。
比如说，Ethernet-APL使PROFINET能够进入工厂的现场级，包括有防爆要求的安全区域，而以往有防爆要求的安全区域是PROFINET的禁区。
6.1 欧洲公司力推PROFINET over APL
从2004年开始，PI国际（PROFIBUS&；PROFINET International）就为生产过程提供了基于工业以太网的通信技术PROFINET，从2016年NAMUR提出开放式体系结构（NAMUR Open Architecture，NOA）以来，已确定了在工厂中有针对性地实施工业4.0的综合基础要求。Ethernet-APL问世后，PI国际的专家们认为生产现场的最终用户不会淘汰正在使用的PROFIBUS-PA现场总线仪表并转而采用APL仪表，而是应该将这些仪表接入 Ethernet-APL交换机，一方面让PROFIBUS-PA现场总线仪表得到充分利用，另一方面可以让这些现场仪表就像APL仪表一样运行。欧洲自动化厂商及用户的发展思路是基于他们的应用以PROFIBUS、PROFINET技术为主，所以把精力都集中在PROFINET技术上，还想让PROFIBUS现场总线发挥更大的作用。
为了满足了用户对新技术的期望将以太网延伸到现场层，以透明、开放、并行地访问现场仪表并为其供电，使现场仪表可应用于爆炸危险区域等，PROFINET必须做出一些改变，让PROFINET技术也能融入Ethernet-APL体系之中。这样不仅可以保留原有的 PROFIBUS现场总线仪表，还使其性能提升，发挥更大的作用。
随着2019年采用独立于通信的PA Profile V4.0配置文件发布，PI国际朝着这个方向迈出了重要的第一步。PA Profile V4.0配置文件是一个基于以太网的平台，所有参数和功能都可以通过PROFINET和PROFIBUS使用。在配置文件中，包含相应测量程序的完整细节（如科里奥利流量测量），也包括相关的NAMUR诊断（如颜色编码的故障指示：红橙黄蓝绿）。采用PA Profile V4.0配置文件以使现场总线仪表无缝集成到整个PROFINET网络中，使不同厂家的PROFIBUS-PA现场总线仪表在工程和操作过程中具有相同的操作顺序和相似的行为，确保对现场总线仪表数据的快速访问，实现基于Ethernet-APL的通信。
欧洲自动化厂商及用户提供的新产品、测试评估也以应用PROFINET工业以太网协议为主，解决的问题也多半是涉及PROFIBUS、PROFINET技术如何与Ethernet-APL技术结合的问题。比如在Ethernet-APL技术发展的初期就有多家公司开发了具有Ethernet-APL加PROFIBUS-PA双模方式的APL现场交换机，使用户现有的PROFIBUS-PA总线现场仪表可以借助现场交换机像Ethernet-APL仪表一样直接接入Ethernet-APL网络。
专家指出，采用将PROFIBUS- PA接入Ethernet-APL 交换机的方式，可使传统两线制电缆条件下实现至少4倍于传统模拟技术仪表I/O的数据服务，使DCS 控制系统获得更全面的现场总线仪表测量数据支撑，即在同等芯数I/O电缆前提下，APL技术能够替代大量传统I/O，节省I/O模件和机柜占用安装空间带来项目资产投入的成本，更重要的是控制器通过工业以太网直接访问仪表数据，使系统更加网络化，更简洁。
在德国巴斯夫公司早期进行的Ethernet-APL技术评估测试过程中，采用了在APL现场交换机内设置代理（Proxy）的双模方式技术，允许PROFIBUS-PA现场总线仪表连接到交换机，这使得PROFIBUS-PA现场总线仪表向Ethernet-APL的过渡更加容易。在图12左表示的就是PROFIBUS-PA现场总线仪表通过代理接入APL现场交换机的示意图，当PROFIBUS-PA现场总线仪表通过代理接入APL现场交换机后，再通过电源交换机接入以太网，应用的是PROFINET协议，这可以称为PROFINET+PROFIBUS网络架构，它保留了现场原有的PROFIBUS-PA现场总线仪表，APL现场交换机现在可以将数据从PROFIBUS-PA转换为PROFINET，使其看起来几乎像本地PROFINET仪表一样。
图12 PROFINET+PROFIBUS与Ethernet-APL网络架构比较
图12右表示的是Ethernet-APL网络架构，主要设备是现场交换机和电源交换机，而APL仪表先接入现场交换机后，再通过电源交换机接入以太网，应用的也是PROFINET协议，这是一个全新的Ethernet-APL系统，现场仪表按要求配备Ethernet-APL协议，其传输速率是10Mbit/s，远高于图12左中现场总线仪表的传输速率31.25kbit/s（如果是4~20mA/ HART现场仪表则更慢，仅为1.2kbit/s）。
如上所述，传统的控制系统网络在到达现场的最后一公里时是一条速度慢得惊人的乡间小道，而Ethernet-APL网络的目标是通过基于Ethernet 网络的基础设施为现场仪表铺设最后一公里的高速通道，让以太网真正的“E网到底”，实现端到端全高速连接，满足现代工厂和自动化网络数字化的需求。
欧洲大力推动PROFINET over APL取得的成果并在工厂实际应用，这使得以PROFINET over APL路线的Ethernet-APL技术在欧洲的发展势头远远盖过北美。
在如何推出Ethernet-APL技术的同时又继承发展原有控制技术的做法上，北美厂家对Ethernet-APL技术推广的积极性似乎有点欠缺。我们从一些表面现象引申出这样一个观点：一些主推HART、FF现场总线的生产厂家，宁可选择运行在1.2kbit /s上的HART升级到HART-IP，让HART-IP在Ethernet-APL网络中扮演重要角色，而对继续发展FF现场总线考虑就不多了。
代表FF 现场总线的现场总线通信集团FCG于2022年成立Ethernet - APL技术与网络集成研究小组，2023年初研究小组作为项目组正式创建，拟采用双模方式Ethernet-APL交换机，其中一个端口用作标准Ethernet-APL交换机端口，另一个端口支持基金会现场总线H1节点。研究小组2024年7月发布了“FF to Ethernet-APL Migration Concept（FF转接到Ethernet-APL的概念）”文件。文件中介绍了“现有的FF设备耦合器将由一个同时支持Ethernet-APL和基金会现场总线H1的以太网现场交换机所取代。虽然Ethernet-APL和基金会现场总线H1的设计支持相同的电缆，但网络的电气特性（信号，频率，调制）显然不同。这要求Ethernet-APL交换机在交换机端口上支持双模方式，其中一个端口可以用作标准Ethernet-APL交换机端口，另一个端口用作基金会现场总线H1节点”（见图13）。
图13 FF现场总线仪表集成到Ethernet - APL网络技术解决方案
但我们至今未见到这些自动化巨头自主或联合其它公司推出具有Ethernet-APL加FF 双模方式的APL现场交换机，这导致用户现有的FF总线现场仪表还不能借助现场交换机像Ethernet-APL仪表一样直接接入Ethernet-APL网络。
欧洲的自动化厂商不仅较为快速地推出采用Ethernet-APL技术的交换机、Ethernet-APL现场仪表，对控制系统适应Ethernet-APL改造的步伐也很快，如ABB公司整合 Ethernet-APL、PROFINET、FDI、OPC UA 这四项业内核心技术，于2021年推出基于Ethernet-APL的ABB Ability System 800xA并符合NAMUR开放架构的全新过程自动化系统。2022年7月西门子公司的SIMATIC PCS 7 V9.1 SP2版本资料中也介绍了支持 PROFINET over APL技术的内容。
未完待续
方原柏
2025年05月
