流程工业双线以太网IP仪表控制系统架构及关键技术研究

0 引言

当前流程工业现场仪表与控制系统主流数据传输技术以模拟信号叠加低速数字信号技术（典型技术如4-20mA+HART信号）和低速现场总线技术（典型技术如FF/H1、PROFIBUS DP/ PA）为主^[1]。随着社会生产力发展，流程工业自动化水平不断提高，工业对现场数据传输性能需求越来越高。当前数据传输技术消耗了大量的铜芯电缆和安装空间，而数据传输速率却不高，已经成为流程工业自动化和智能化发展的瓶颈，不能满足市场和技术发展需求。

双线以太网技术（以下简称SPE技术）将10Mbps以太网设备带到了流程工业现场，铺设了一条连接现场仪表和控制系统的数据高速公路。支持SPE的IP仪表能够以更快的速度和控制系统交换数据，而仪表本身也将更加智能化，满足更大范围的工业互联网的需求。

本文将分析以SPE和IP仪表技术为基础的新型控制系统的技术架构以及关键技术。

1 流程工业自动化仪表控制系统技术现状和改进机会

流程工业自动化仪表控制系统包括测量仪表、执行器、数据传输设备和控制器几个部分。测量仪表检测过程参数。过程参数通过数据传输设备传输到控制器。控制器按照预订控制算法计算出控制参量。控制参量通过传输设备传输到执行器。执行器根据控制参量动作以控制过程参数在期望范围之内。数据传输设备是测量仪表、执行器和控制器之间信息传送的桥梁。

图1：流程工业自动化仪表控制系统

数据信号可分为模拟信号和数字信号两类。

模拟信号主要有：电流信号（4-20mA,NAMUR等）、电压信号（mV信号，热电偶电势，1-5V等）、开关（通断）信号（电磁阀、开关、继电器）。模拟信号一般通过铜芯电缆传输，其传输路径为：现场仪表-铜芯电缆-接线柜-IO卡件-控制器。

图2：模拟信号/硬接线

这种信号传输方式一般称为硬接线方式。硬接线方式的主要特点为：信号以模拟电压、电流形式传输；一对双绞铜芯线只能传输一个信号；模数转换（A/D和D/A）在控制系统的IO卡件上进行。硬接线方式的优点是简单可靠、调试方便。

      随着工厂规模的扩大，硬接线方式的缺点开始显现，主要包括：

 信号传输效率低。硬接线传输需要消耗大量的电缆及其辅助设施。另外大量数模转换卡件（IO卡）安装在机柜室，占用了宝贵机柜室空间。

多次转换精度低。流程参数从现场到控制系统要经过多次转换，不但增加了设备成本，而且降低了测量精度和响应时间。

为了克服上述缺点，仪表行业在1990年代开发了现场总线技术。现场总线技术把数字化现场仪表作为网络节点，过程参数以数字信号方式通过现场总线网络传送到控制系统。

现场总线仪表的结构如图3所示。整个系统只有变送器的一次转换，其余部分信号以数字形式传输。现场总线技术解决了硬接线传输效率和多次转换问题。

图3 现场总线控制系统架构

现场总线技术主要特点为：信号以数字形式通过网线传输；一条双绞网线传输多个数据信号；部分控制模块在仪表上实现。

现场总线与传统硬接线相比优势明显，可是由于在具体产品实现上的不足，市场并没有全面接受现场总线，该技术现在还有萎缩的趋势。

2 双线以太网技术简介

2011年，一些自动化仪表制造商开始研究将以太网应用于现场仪表的可行性。经过五年的研究，初步认定以太网可以应用于工业现场。2016年，IEEE开启了 IEEE 802.3cg标准项目^[2]。该标准致力于将标准以太网协议802.3应用于10Mbps速度的单对对绞铜线 (10BASE-T1L/T1S标准)。IEEE 802.3cg已于2019年正式发布。以欧洲仪表厂商为主的以太网－APL组织开启了APL（先进物理层）项目，该项目研究内容是以太网应用于爆炸危险区 ，从而使以太网满足石化工业现场仪表安装需求。

IEEE 802.3cg的主要设计目标有：对绞铜芯电缆连接网络节点，每个节点的分支电缆长度不少于200米，主电缆不少于1km，信号传输速度10Mb/s；支持直流电源通过对绞铜芯电缆供电；适用于高电磁噪声环境，如流程工业、建筑、交通等行业；支持标准以太网协议。在流程工业现场，满足IEEE 802.3cg标准的仪表可以作为以太网的节点，控制系统可以通过以太网直接访问仪表数据。

图4：双线以太网控制系统

IEEE 802.3cg标准于将标准以太网协议实现在带直流供电的对绞铜芯电缆之上。而APL项目则将符合IEEE 802.3cg标准的设备安装在最高为ZONE 0 的气体爆炸危险区，并且推进相关设备的IEC防爆标准制定，同时制定了端口配置规范，测试规范和安装指导等工程手册。《IEC TS 60079－47爆炸危险环境：本安双线制以太网设备保护概念》已经正式发布。符合该标准双线以太网IP仪表和网络可以安装在流程工业尤其是石化工业现场，真正实现了流程工业控制网络的“一网到底”。

国内公司在IEEE 802.3cg标准上更进一步，开发了NG-SPE技术。该技术与IEEE802.3cg类似，将标准以太网协议应用于10Mbps速度的对绞铜线物理介质，同时实现了用铜线直流供电。NG-SPE与IEEE802.3cg不同之处是使用了OFDM调制/LDPC编码替代了PAM3调制/3b4b编码。新编码纠错能力强，抗干扰性差性能更好，因此对介质的物理性能要求更低。测试结果显示，NG－SPE在目前常用的RS-485电缆和仪表信号电缆上能够稳定实现10Mbps@1000m的通信速率。

双线以太网技术有下列优势。

(1) 成本降低。工业以太网采用廉价大容量的光纤取代了铜芯电缆，传输材料和安装费用大幅度降低。一网到底”技术避免了多次数模模数转换，数据传输的速度和精度将提高，传统控制室内的IO设备和接线机柜将消失，控制室面积将大幅度减少；

(2) 数据传输速度提高。双线以太网的传输速率为10 Mb/ s，比HART快近10,000倍，比目前的现场总线快300倍，因此以太网可以处理大得多的数据量，为工业4.0和智能工厂应用提供了基础保障；

(3) 设备维护性能提升。技术使得更多的现场设备数据可以快速上传控制系统，系统可以在控制室更好的实现的设备组态、校验测试、诊断和预测性维护等功能，替代现有维护人员用手操器到现场维修的被动维护模式。新技术支持制造商远程诊断维护现场设备，提高设备运行效率，降低设备维护成本。

表 1 双线以太与传统技术对比表³

3 双线以太网IP仪表控制系统体系架构

双线以太网IP仪表支持以太网接入技术，可以构建新的控制系统架构。

架构一：SPE现场交换机组成的的环网架构

现场交换机支持下行SPE接口，现场部署的SPE/IP仪表通过双绞线接入现场交换机，若干台现场交换机与汇聚层交换机组成环网（接入环）。控制室内部署的控制器、上位机通过汇聚层交换机接入控制网。

对于中小型企业，Internet网关、外网防火墙可以直接接在汇聚路由交换设备上；对于大厂，可以在车间、装置和总厂间再增加一层骨干环网。Internet网关、外网防火墙可以接在环网交换设备之上。

图5：SPE现场交换机组成的的环网架构

SPE/IP仪表物理层支持APL和NG-SPE标准，可以通过双绞线铜芯电缆以10Mbps速率与交换机通信。同时还可以从交换机获得电源，实现数据传输和供电“二合一”。

在接入环网上应用确定性IP技术（DIP，TSN或者其他）以保证现场仪表与控制端之间数据传输的确定性时延、零抖动、零丢包等性能要求。

环网架构有如下特性：

(1) 路径冗余，高可靠性。环网实现了数据传输冗余路径，在环网某处发生故障时，数据仍然可以通过另外一条路径上传控制器；

(2) 确定性时延。确定性IP数据传输技术（DIP，TSN或者其他）将端到端时延抖动控制在一定范围之内，实现确定性时延保障服务，满足流程工业控制系统对数据传输确定性时延的要求；

(3) 部署成本低。环网架构用低成本大容量的光纤替代了传统的铜芯电缆，大幅度降低了数据传输设备物料和安装成本。

架构二，SPE/工业光总线架构

IP仪表通过双绞线接入SPE现场交换机，现场交换机通过ONU（光网络单元）接入工业光总线，然后通过OLT（光线路终端）接入控制室交换机。控制器、上位机以及外网防火墙通过控制室内交换机与工业光总线连接。工业光总线保证了仪表数据的确定性时延传输和可靠的冗余路径。工业光总线技术用无源光网替代了以太网交换机网络，性能和成本有一定优势。

 图6：SPE/工业光总线架构

工业现场光网技术是工业以太网的下一代技术，重新定义数据链路层，优化物理层来实现时延的降低和确定性，同时实现全部节点的时间精准同步，为工业现场数据传输提供了一个可靠的通信底座。

工业光总线具有如下特性：

(1)  抗干扰。光纤天然对电磁信号不敏感，可以有效解决电磁干扰带来的调测难，故障多的问题。

(2) 确定性低时延，强同步。通过优化时隙分配机制等技术，可以实现总线控制频率几十倍的提升，同时可实现全网多节点时间严格同步。可有效解决数据采集的实时性和可信度困扰，为流程工业实现精准检测控制提供保障。

(3) 业务大带宽，硬隔离。当前光纤的产业链已经普及了万兆，成本已经大幅下降到可大量商用的水平。流程工业未来的发展，当前以流程测量参数为主，未来会越来越多的包含视频监控，3D侵入检测等综合管控业务。

4 新型控制系统关键技术研究

4.1支持双线以太网的IP仪表

IEEE802.3cg、IEC TS 60079－47、NG－SPE等标准定义了双线以太网物理层、信号调制编码、本安防爆等性能。双线以太网的系列特性－如：10Mbps@1000m、直流电源供电、本安防爆－比起当前主流模拟信号和现场总线仪表有巨大的优势，满足流程工业现场仪表数据要求。根据上述标准和技术开发满足要求的通信芯片（PHY）以及与流程参数传感器集成的IP仪表，是下一步新型控制系统构建的基础。

4.2确定性时延传输技术

IP仪表到控制器的数据通信需要网络提供端到端确定性时延保障，传统IP网络无法实现。特别是在多跳网络中，每一跳转发中因为统计复用、排队缓存带来的时延抖动会逐跳累积，使得端到端IP联接的时延抖动没有上限，从理论机制上无法保障数据传输服务的高精度确定性时延。这对于自动化控制系统的工程设计来说是不可接受的。

DIP^[3]（Deterministic IP）技术在继承传统IP网络统计复用优势的基础上，引入了边缘整形、门控调度、周期映射、SRv6显式路径规划、双法双选等技术，可以在承载传统业务流量的IP网络中，将端到端时延抖动控制在一定范围之内，实现确定性时延保障服务，以满足流程工业控制系统的确定性时延数据传输要求。

确定性时延传输技术以及其在环网和工业光总线网络上的实现是新型控制系统架构的重要课题。

4.3仪表数据和功能模型

现场仪表由若干部件、物理属性以及各类操作组成的，每个部件又可以包含其它子部件和物理属性，为了实现仪表和控制系统的通信，需要定义相关的信息模型元素对仪表进行抽象和描述，构建仪表应用层数据模型。GB/T- 40209-2021制造装备集成信息模型通用建模规则给出了构建仪表数据模型的规则。

现场仪表的数据和功能模型有如下内容：

(1) 仪表静态属性数据：与仪表本身相关的数据，如传感器类型、物理特性、材质等数据，由制造商制造仪表时定义；

(2) 仪表配置属性数据：与仪表使用场合相关的数据，如量程、报警值、测量介质数据、安装位置数据、位号数据等，由集成商使用仪表时定义；

(3) 仪表过程属性数据：第一种是循环传送的数据。如仪表测量值、阀门行程、转速等数据，这些数据按照预订时间周期在控制器和仪表之间传送。第二种是按需传送数据，如报警、诊断、急停命令等数据，这些数据不用循环传送，但是在事件发生时要在确定性的时间内传送到目的地；

(4) 方法：方法是对仪表设备进行操作的抽象和描述，包括输入输出和功能描述。外部设备和操作人员可以通过调用仪表的方法对仪表进行操作，执行动作和获得反馈。仪表通常的方法有初始化、旁路、诊断、校准等。

为了实现仪表设备的“即插即用”，需要建立仪表设备描述文件。仪表设备描述文件定义了仪表的功能、接口、参数以及其他特征，由设备制造商提供。设备描述文件可以采用XML语言，定义设备数据和功能。设备描述应该内置在设备固定存储目录，上电后传送给控制系统，控制系统解析仪表描述文件，建立对应的数据结构，并且读取设备数据，实现仪表设备即插即用。

5 结束语

本文从双线以太网技术、新型仪表控制系统架构和IP仪表角度描述了新一代控制系统应该具有的功能和特性。SPE和IP仪表技术带来不仅是流程工业现场仪表性能的提升，而是控制系统和流程工业互联网的一场革命，为流程工业自动化技术发展开辟了新道路。