1) 开关量信号。

主要为切断阀开关控制及位置反馈、电机启停以及状态反馈、音叉开关状态反馈等信号，该部分点位会占到总点位的80%以上，其中开关阀点数约占总点数的70%。

2) 模拟量信号。

主要为调节阀控制及状态反馈、电机频率控制及反馈信号、各类测量仪表变送器信号，该类信号点位一般会占到总点位的15%左右，使用4～20 mA进行传输，但是传输的信息非常单一： 如1台压力变送器仅传输1个压力信号。虽然它可能已经具备了HART协议，但是HART技术大多数仅被用作远程调试，而大量信息，如智能仪表的过程参数、设备组态、校准、诊断信息等，并未被有效利用。

1.2自动化方案现状

除通信协议以外，DI/DO/AI/AO信号以及各类仪表供电，均采用铜芯电缆点对点连接至机柜内。在非防爆车间，为了节省电缆，这些机柜一般集中布置于车间一侧的专用机柜间内，现场设备与机柜直线距离一般在30～70 m。而在有防爆要求的车间，因为法规及规范的限制，机柜需要布置在距离较远的非防爆区域，或者是非生产区域，现场设备与机柜直线距离一般在150～600 m。由于制药行业生产过程中需要使用大量易燃易爆的有机溶剂，如甲醇、乙醇、丙酮等，因此大部分生产车间都属于防爆车间。

若按照表1中的点位配置，标准机柜应配备约20面，机柜间占用面积约60 m2,机柜间内部还需要采取相应措施以满足电子元器件对环境温度、湿度以及电磁干扰的要求。此外，由于是防爆车间，机柜间距离现场设备较远，还需耗费铜芯电缆数十万米，镀锌桥架数百米。以上成本合计可占到自动化建设总投资金额的20%～40%,且和铜价相关性很高，如铜价上涨则该项成本占比将会更高。

1.3存在问题

为了应对以上问题，制药行业中开始采用如阀岛、分布式I/O等新技术。这些方案虽然解决了一部分问题，如降低铜芯电缆的使用、减小机柜间占用面积、缩短施工周期等；但一些关键问题，如更安全的回路、更高效的信息传输、更加便利的数据访问性能、更智能的现场仪表，均未得到较好的解决，因此更像一种过渡性方案。为了将“工业4.0”以及“智能工厂”推向一个更高的层次，急需一种新型的解决路径。

Part.02Ethernet-APL技术

Ethernet-APL(Ethernet-advanced physical layer)是基于802.3cg:2019IEEEStandardforEthernet-Amendment5:Physicallayerspecificationsand management parameters for10Mibit/s operation and associated power delivery over a single balanced pair of Conductors,专门面向流程行业最后1 km制定的一种以太网物理层协议规范。APL是ISO/OSI 7层模型中众多以太网物理层之一，APL在7层模型中的位置如图1所示。APL支持所有高阶以太网通信协议，可以提供与4～20 mA信号相同或更好的功能，优势包括显著提高通信速度、提高危险区域应用、现场仪表供电和长电缆运行能力。

图1 APL在7层模型中的位置示意

APL技术具有以下特性：

1) 基于以太网通信，通信速度为10 Mibit/s。

2) 主干(Trunk)最大通信距离可达1 km, 分支(Spur)最大通信距离可达200 m。

3) 使用同一对双绞线可同时实现通信和为设备供电。

4) 可以利用现有的电缆安装。

5) 能够和控制系统高度集成。

6) 多种以太网的协议均可在Ethernet-APL中运行。

7) 设备及仪表可在爆炸性环境中工作。

APL技术应用到控制系统的典型网络结构如图2所示。在保留企业现有监视控制层和企业管理层的基础上，增加了基于APL技术的APL电源交换机、APL现场交换机和APL仪表。APL电源交换机对上通过工业以太网连接到控制网络，对下通过APL Trunk连接多台APL现场交换机并为其供电。APL现场交换机由APL Trunk供电，并将电力供给每个APL Spur, APL Spur对下连接APL仪表并为其供电。APL Trunk和APL Spur均为2线制线缆，在传输数据的同时能够为设备供电。

Part.03Ethernet-APL产品的发展现状

APL标准制定工作始于2018年，由FieldComm Group、ODVA、OPC基金会、PI等4个标准化组织推动，并得到了ABB、 艾默生、 E+H、 科隆等众多公司的支持。2022年8月，工作组正式发布了包括端口规范、测试规范、工程应用指导等一系列规范，标志着APL标准制定工作的正式完成。

图3 0MC系统系统架构示意

图4 新车间OMC系统方案示意

该方案结合了制药行业防爆车间的自动化业务场景，利用APL技术更安全、高带宽、低成本、简布置的特点，替代传统的点对点信号电缆直拉至机柜间的方案。将现场仪表分为三大类，分别是APL仪表、气动阀以及通用仪表。将APL仪表接入到APL现场交换机，将气动阀控制及反馈信号接入APL数字信号变送器，然后将剩余的通用仪表接入APL SmartEIO。这三种现场交换机就近安装在现场仪表附近，通过总线进行供电，不包含开关电源，以适应现场的恶劣环境，满足防爆2区使用要求。APL电源交换机布置在车间一侧，通过双绞线对现场交换机进行供电以及信号传输。电源交换机和现场交换机采用星型拓扑结构，实现了冗余供电与信号传输。

相比于传统铜芯电缆直连的方案，采用APL方案节省了铜芯电缆90%,上万的仪表点位仅使用2面机柜，机柜间面积缩减到10 m2,有效降低了投资成本，大幅缩短了项目建设工期。

另外，三种现场交换机内都预留了足够点位，若需要增加点位，只需要将仪表安装到位，然后接入现场交换机或APL SmartEIO中，在软件上进行简单调试即可投入使用；不需要上桥架进行拆线、拉线，以及打开机柜寻找对应卡件等工作，施工和改造效率提高40%以上。

Part.04结束语