PROFINET over Ethernet-APL 控制系统（5）——促使IT与OT的融合
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PROFINET over Ethernet-APL 控制系统
以太网是一种局域网规范，工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，过程现场网络（PROcess FIeld NET，PROFINET）是一种在工业以太网上运行的实时技术规范。
本系列文章将先概述PROFINET，再介绍PROFINET与工业以太网/以太网、 PROFINET 与PROFIBUS、PROFINET与Ethernet-APL、PROFINET与PROFIsafe的关系，最后就 PROFINET over APL的测试和应用做详细的论述。
往期回顾
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”。
6.3 PROFINET over APL促使IT与OT的融合
在传统的工厂自动化系统中，通常分为多个层级，最下面一层通常是现场层（执行现场的测量、控制），包含大量的现场仪表，比如说温度变送器、压力变送器、流量变送器、阀门等等，这些是我们通常所说的过程检测仪表和执行器设备。
往上一层是网络层，进行现场数据的采集和交互。再往上就是控制层，即DCS/PLC这一层面。由现场层、网络层、控制层构成了一个完整的工厂自动化控制系统，以实现整个生产过程自动控制。DCS/PLC控制系统从上个世纪70年代延续至今，即使后面出现了现场总线控制系统FCS等，但整个控制系统的总体架构变化不大。
这样的控制系统满足工厂日常生产是没有问题的，但出于安全方面的考虑，其信息特性具有封闭性和独立性，这对于企业管理层IT系统是不够友好的，限制了全面的企业数字化转型以及高级应用（远程运维、数字孪生、供应链管理等）。
全球流程行业的知名用户组织NAMUR，就提出了NAMUR开放架构（ NAMUR Open Architecture，NOA）模型。传统自动化系统架构如图21左，数据仅能在现场层、网络层、控制层逐层传递，想传送到管理层则较为困难。现在满足IOT物联网需求的架构（见图21右）希望核心的过程控制系统仍保持稳定、可靠的运行，但一些用于监测和优化的信息，可以通过开放的数据接口（比如OPC-UA）直接传递到厂级甚至企业级的管理层运营平台，如图中红色线段和箭头所示NOA规范定义的信息模型及信息流。在工厂全面数字化需求的背景下，我们就需要考虑如何基于现有的系统架构应用成熟技术，实现新兴IT信息技术与成熟OT运营技术间的融合。
图21 传统自动化系统与满足IOT物联网需求自动化系统的架构
结合Ethernet-APL及其高带宽，可以从管理层、控制层、网络层一直到现场层无缝集成到整个PROFINET网络中。对于用户来说，这意味着不仅可以显著提高工厂的运营效率，还可以减少培训维护人员所需的工作量。以从科里奥利流量计中提取信息为例，如果通过PROFIBUS RIO的HART需要8min、通过FF基金会现场总线协议需要3min的话，那么通过PROFINET的Ethernet-APL仅仅只需要10s。
IT与OT的融合对于企业而言有很多好处，比如从企业管理层来看，仅仅到厂级的控制层是远远不够的，企业需要从底层更多地获取实时生产数据，然后与整个供销链（采购、物流、销售）联合，实现全厂或者是全企业的数字贯通，这就需要顶层的IT和底层的OT融合。
此外，对于底层现场仪表而言，目前从系统管理层还无法直接读取到其内部的数字信息。但从安全生产角度考虑，包括一些预维护、预诊断的需求，也希望管理层能够看到底层现场yb的实时信息及诊断信息，以实现预测性维护等项与安全有关的工作。上层根据企业运营优化或安全需求，也可以通过特定的安全加密通道将生产控制策略回传给核心控制系统，由控制系统完成过程控制参数的优化调整。
以PROFINET为例，与Ethernet-APL技术结合后，可以为自动化创造新的应用价值，如：控制系统主干网络到仪表层，统一采用PROFINET协议；仪表层网络采用双芯线缆，供电和通信可以在同一线缆中完成；支持所有的防爆应用，包括本质安全；可以重复使用现有的A类现场总线电缆，降低项目建设成本；安装便捷，抗电磁干扰能力强。
在图22左所示的传统控制系统里，变送器/执行器等现场仪表是通过屏蔽电缆、接线箱、配线柜等接入控制系统，然后通过以太网接到管理层。而在图22右所示的PROFINET over APL控制系统里，变送器/执行器等现场仪表的信息在通过现场交换机、电源交换机传送到控制系统的同时，也接入企业网络的云系统。PROFINET over APL控制系统相对于传统的控制系统具有图22中黄色框内标注的优点：垂直通信、诊断/资产管理、高负荷数据处理、安全、防爆/信号隔离、长距离现场布线、方便配线供电、多台设备接入、数据数字化。另外的特点是系统结构简化、减少大量电缆配线和各种协议的转换器。
图22 传统控制系统与PROFINET over APL控制系统的比较
6.4 回答几个问题
对PROFINET over APL技术，用户通常有以下疑问：
1） PROFINET over APL技术有什么优点？
回答：通过 PROFINET over APL技术将各类现场设备连接到控制系统、资产管理系统、云应用，具有以下优点:
• 工厂网络集成全以太网通信，无介质中断；
• 员工只需要接受单一技术的培训；
• 与HART和现场总线相比，数据传输速率高；
• 通过PROFINET安全概念处理OT安全操作方面应用。
2）PROFINET和PROFINET over APL是否兼容？
回答： 当然可以兼容，因为PROFINET是一种基于以太网的媒体独立技术。PROFINET使用经典的铜CAT电缆、光纤电缆、WLAN，因此Ethernet-APL可以看作是另一种媒介。这样，所有使PROFINET成为领先通信技术的功能和优势都可以在Ethernet-APL介质（物理层）上使用。鉴于APL上的PROFINET使用10 Mbit/s的通信速度，需要一个桥接设备，如交换机或转换器，来互连100BASE-TX和10BASE-T1L的不同介质。
3）为什么要在APL上使用PROFINET？
ET over APL技术有什么优点？
回答：一般来说，PROFINET以其在工厂和过程自动化中的灵活性、弹性和可用性而闻名。通过Ethernet-APL使用IT，用户可以利用以太网提供的全面连接，将其所有自动化资产数字化。这就满足了用户对新技术的期望，如：现有工厂扩展容易实现；能透明、开放、并行地访问现场设备；为爆炸危险区域提供安全、标准化的应用；为设备制造商和工厂管理者打开设备性能诊断、预测维护等新的性能窗口。
4）Ethernet-APL和PROFINET over APL的区别是什么？
回答：Ethernet-APL是物理层，以电气方式连接两个设备，就像IT设备那样，按过程自动化的要求，在2线电缆上交换数据。PROFINET over APL使用这种物理层，就像使用其它电缆或WLAN一样。
未完待续
方原柏
2025年07月
