Ethernet-APL：运用行动依据的情资推动流程最佳化

Ethernet-APL（先进实体层）规范乙太网路通讯的应用细节，包括连续流程工业（process industry）中感测器与制动器之间的通讯，并将由国际电工技术委员会（IEC）公布规格。Ethernet-APL採用新的10BASE-T1L （IEEE802.3cg-2019）乙太网路实体层标准，这项于2019年11月7日审核通过的标准针对在危险地点中的使用规范了实务以及扩充保护方法。连续流程自动化厂商正在包括PROFIBUS and PROFINET International（PI）、ODVA公司及FieldComm Group 的带领下，联手让Ethernet-APL能在各种工业乙太网路协定运行，以及加快部署的进程。

为何Ethernet-APL如此重要? Ethernet-APL将改变流程自动化的世界，让现场装置能进行高频宽、无缝式的乙太网路连结。它解决了许多难题，这些问题一直限制乙太网路在实地环境的应用。相关的挑战包括供电、频宽、佈缐、距离、以及在危险地点的使用。

藉由解决包括棕地（brownfield）升级与新绿地（greenfield）安装面临的这些问题，Ethernet-APL将促成以往未曾得到的情资，像是匯整流程变数、二次参数、资产健康回馈、以及和控制层之间的无缝通讯。这些新情资将开拓许多新的可能性，包括资料分析、营运情资、以及生产力改进等领域，透过匯整乙太网路在现场与云端之间串连通讯管道。（图一）

图一 : 在流程自动化领域运用Ethernet-APL建立无缝乙太网路连结

为取代4 mA 至20 mA 或现场匯流排通讯 （Foundation Fieldbus 或PROFIBUS PA），在流程自动化应用中採用Ethernet-APL，就必须为感测器与制动器提供电力与资料。

在流程自动化应用中，现场装置与控制系统之间的距离，对于现有工业乙太网路实体层技术形成严峻挑战，工业乙太网路的距离上限为100公尺。然而许多流程自动化应用需要长达1公里的传输距离，而且要求超低功耗，另外，有些强固型现场装置必须在Zone 0（本质安全）区域运行，因此业界需要一种新方法来为流程自动化实现乙太网路实体层技术。

Ethernet-APL的开发基础为10BASE-T1L实体层功能，结合全双工、直流平衡、点对点通讯机制、7.5 MBd 符元率下执行PAM 3调变、以及4B3T编码。它支援两种振幅模式，2.4 V峰值支援最长1000公尺网缐，另一种则是1.0V 峰值其传输距离较短。1.0 V峰值振幅意谓这种新实体层技术也能用在防爆系统（Ex）环境，并符合严格的最高能量限制。10BASE-T1L支援双缐技术执行长距离传输，使用遮蔽式双绞缐传送电力与资料。

在为现场装置输送电力方面，Ethernet-APL能在Zone 0应用提供最高500 毫瓦的供电，对比现今4 mA至20 mA的系统输送约36 mW的供电。在非本质安全应用中，依照使用的网缐长度不同，最高可输送60瓦的供电。

由于网路边缘可用电力要高出许多，因此促成许多支援增强功能的新型现场装置，因为破除了4 mA 至20 mA的供电以及现场匯流排的限制。举例来说，更高的效能以及增强型边缘资料处理，如今在额外增加的电力下都能实现。这也将促成高价值的情资，在现场装置（现场资产）上运行Web伺服器来存取流程变数，最终在制程与资产管理方面推动改良与最佳化。

为运用这些宝贵新情资所蕴含的丰富资料集，我们需要更高频宽的通讯链路从这些新现场装置传送资料集，通常是从各处流程传到工厂基础设施或一路传到云端进行处理。

Ethernet-APL不仅省去复杂又耗电的闸道器，还促成匯整式乙太网路连结资讯科技（IT）与营运技术（OT）两大领域。这种匯整网路提供简化安装、简易的装置更换、以及更快的网路通讯与设定。结果是促成更快的软体升级，以及简化问题根源分析与现场层装置的维护。

Ethernet-APL解决方案的优点

透过Ethernet-APL进行匯整，我们就不再需要昂贵、复杂、耗电的闸道器。另外还有助于摆脱极度碎片化的现场匯流排基础设施，消弭衍生的资料孤岛，解决现场层装置内部资料存取受限的问题。除去这些闸道器后，这些既有设施的成本与复杂度就会大幅降低，衍生的资料孤岛也能消除。

流程自动化应用一直採用既有的通讯标准，如表一所示，其存在着许多限制，如今已被10BASE-T1L Ethernet新标准所克服。10BASE-T1L有潜力重复使用一些现已安装的佈缐，为使用10BASE-T1L实体层的Ethernet-APL所佈建的流程自动化环境创造许多棕地升级的机会。

要和Ethernet-APL装置通讯，主控端处理器需要搭配内建媒体存取控制（MAC）或乙太网路交换器以及10BASE-T1L埠口（图二）

图二 : Ethernet-APL 现场层装置以10BASE-T1L实体层元件进行数据连结

Ethernet-APL 佈缐与网路拓扑

10BASE-T1L标准并沒有定义专属传输媒体（缆缐），而是定义通道模型（回流损失与插入损失方面的规范）。通道模型很契合现今PROFIBUS PA 与Foundation Fieldbus所使用的fieldbus type A缆缐; 因此某些已安装的4 mA 至20 mA缆缐有潜力可以用在Ethernet-APL。相比更复杂的佈缐，单一双绞缐拥有的优点包括更低成本、更小尺吋、以及更容易装设。

图三显示Ethernet-APL提案中的网路拓扑，称为骨幹与分支（trunk and spur）网路拓扑。骨幹缆缐最长可达1公里，实体层振幅为2.4 V峰值，支援Zone 1, Division 2防爆规范。

图三 : 未来透过Ethernet-APL与10BASE-T1L进行无缝的边缘至云端连结

分支缆缐长度最长可达200公尺，实体层振幅为1.0 V峰值，支援Zone 0, Division 1防爆规范。供电交换器位于控制层，除了提供乙太网路交换器功能，还为缆缐供电（透过数据缐）。在危险区域中，现场交换器位于现场层，使用缆缐输送的电力。现场交换器提供乙太网路交换器功能，将分支缆缐上的现场层装置连到骨幹，并将电力传递到现场层装置。

多个现场层交换器连到骨幹缐，即可让大量现场层装置能够到网路。

新Ethernet-APL装置创造新机会

Ethernet-APL将促成现场至云端之间无缝传输，衔接各种流程自动化环境，其中包括食品与饮料业、制药、石油天然气等产业的危险厂区。由于有大幅增加的供电，新型Ethernet-APL现场装置将能支援各种增强功能与特色。

这些新装置将释放众多资料集的潜力，藉由强大资料分析支援云端运算，以及透过可供行动根据的情资推动流程最佳化。连续流程工业的新商业模式将变得切实可行，造就出更复杂流程的生产缐，以及从新的情资创造价值。

（本文作者Maurice O’Brien为 ADI 策略行销经理）