PROFINET over Ethernet-APL 控制系统（8）——PROFINET over APL的测试
剑指工控 仪表客厅
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
8 PROFINET over APL的测试
虽然2021年6月才正式推出Ethernet-APL技术并发布规格、工程指南和一致性测试计划，但早在2015年，就曾演示过使用Ethernet-APL设想的过程工厂架构微型版本，所以从那时起，一些对自动化仪表新技术非常敏感的人士就开始关注Ethernet-APL技术了。
从历史上看，新产品的测试通常是封闭在生产厂家进行的，只有一小群研究人员和开发人员参与。然而，Ethernet-APL技术的测试却开创了一个新的方式：它是由用户主导，由用户、生产厂家、标准制定机构等共同参与的；测试地点是在用户的测试装置上；测试参与人员有用户方面电气/仪器仪表/自动化的专家、生产厂家的产品经理/研发人员/市场专家等；测试的内容是按用户要求进行的。
8.1 巴斯夫公司早期的测试
巴斯夫是德国的一家化工企业，是全球最大的跨国化工集团。由于公司不断要新建工厂和改造原有工厂，确定这些项目的控制系统方案是摆在巴斯夫自动化专家面前的难题，原有的控制系统方案存在众多不如意的地方，所以他们对自动化仪表新技术非常期待且敏感。从2016年NAMUR大会开始，即Ethernet-APL概念提出的初期，巴斯夫自动化专家们就注意到Ethernet-APL技术，也开始考虑这种新型通信基础设施应用的可能性。他们研究了Ethernet-APL技术的细节，并对来自不同制造商的现场仪表进行了测试。通过前期工作，2019年3月，巴斯夫公司在路德维希港筹建了Ethernet-APL评估测试实验室（见图26、27），有电气、仪表和自动化专家参与，使用多家供应商的原型设备搭建了Ethernet-APL技术控制系统和不同的拓扑结构，实验室的目的是评估分布式控制系统与现场仪表（变送器和执行器）使用的Ethernet-APL技术。
图26 巴斯夫Ethernet-APL评估测试实验室现场级的变送器和执行器
图27 巴斯夫Ethernet-APL评估测试实验室ABB、爱默生、霍尼韦尔、西门子的DCS系统
让我们先来看看图25的德国路德维希港巴斯夫化工厂进行的Ethernet-APL产品评估测试实验室，最初238台Ethernet-APL现场仪表整整齐齐地挂在靠墙的安装框架上，这些仪表采用Ethernet-APL通信标准。一排排电缆从每台仪表延伸到实验室的一个角落，在那里它们变成了一捆粗电缆。这张照片的独特之处在于，没有一台流量、压力或温度仪表是根据其实际用途连接到管道上的。因为巴斯夫的自动化专家们在这间实验室里专注的不是每一台现场仪表本身有关检测的技术性能，而是要对这些现场仪表的通信性能进行测试和评估。Ethernet-APL现场仪表通过分别带8、16、24端口的多种现场交换机连接到PROFINET环路，再连接到冗余控制器。测试系统中使用了来自多家公司的标准PROFINET组件，现场交换机有倍加福、菲尼克斯和斯泰尔公司的，控制器包括霍尼韦尔的Experion DCS和ABB的800 xA DCS两种。一个冗余PROFINET控制器用于两个环路，可以连接多达250台现场设备。在这里，所有组件的安装、连接、电源供应、通过现场总线电缆到现场设备的以太网通信、可视化的配置等细节都很重要，而测试的重点是当所有各种类型的现场仪表和执行器集成到控制系统中会不会出现什么问题?
巴斯夫的自动化专家说：
对我们来说，测试任何新技术都非常关键。我们不能简单地相信它们会按预先设想的那样工作，因为许多应用都是开创性的课题，我们需要知道它们是否能正常工作？它们是否具有事先大肆宣传的优势？它们是否能解决我们面临的问题？来自不同制造商的不同PROFINET节点，像APL交换机、代理、远程I/O能否在一个环路中相互通信?设备更换后是否可能通过链路层协议检测发现邻居?能否自动配置新的现场设备?具有双模方式的Ethernet-APL现场交换机能不能同时接入PROFIBUS-PA现场总线仪表和APL仪表？因为需要连接众多的电机控制中心(MCC)和变频驱动器(VFD)，能否通过PROFINET协议管理电气设备？
由于系统用于危险区域，在将该技术应用于实际系统之前，必须谨慎行事。比如当现场设备通过端子反极性保护连接连接到APL交换机上时，总线电缆能否运行稳定？现场设备配置是否快捷方便？测试结果回答了我们的疑问，如基于PROFINET的即插即用设备更换时，系统能自动检测到替换的设备，并加载相应的配置，该设备在不到一分钟的时间内再次可用。再如在节点支持的情况下，经过测试的冗余机制在指定时间生效(例如介质冗余协议MRP环≤200ms)。在系统结构的混合操作中测试了不同的变体和不同的节点，令人惊讶和令人鼓舞的是，所有的测试结果都是通信正常，Ethernet-APL的测试评估获得成功。
巴斯夫的自动化专家们发现了新技术的许多优点，例如：
• 安装简单灵活
• 与DCS的简单集成
• 稳定快速的以太网通信
• 流程的高可用性
• 设备更换即插即用
• 通过与过程控制系统并行的第二个通道从现场设备中提取数据。
巴斯夫的自动化专家确信Ethernet-APL是未来工厂的最佳技术。
巴斯夫的自动化专家还向供应商提出了一些建议。这些建议包括以下几个方面：
• APL 现场仪表和 PROFIBUS PA 现场总线仪表是否可以连接到同一台现场交换机？建议在APL现场交换机内设置代理（Proxy），以允许PROFIBUS-PA现场总线仪表通过代理连接到交换机。这会使得PROFIBUS-PA现场总线仪表向Ethernet-APL的过渡更加容易。
• 建议将Ethernet-APL 技术的应用扩展到功能安全应用中。
• 建议采用光纤高速链路连接PROFINET，除了接入APL PROFINET现场设备外，还可以接入PROFIBUS-PA现场总线仪表。
• 建议在以太网环路中同时接入电机控制器和变频器，使所有仪表设备和电气设备都采用相同的网络技术。
• 建议在评估测试实验室的标准安全控制装置上配备PROFINET通信模块，该模块直接连接到APL现场交换机，使安全系统和控制系统可以应用同样的技术。
未完待续
方原柏
2025年07月
