HART-IP：从4-20mA迁移到Ethernet-APL

基于4-20mA的HART协议在整个过程工业中仍然普遍存在，最终用户可以利用他们对HART网络和通信技术的理解，将其应用于功能更强大的基于Ethernet-APL的HART-IP装置。

HART通信协议是关于智能过程控制现场设备与控制或监控主机系统之间的数字信息交换，适用于传统的4-20mA模拟电流回路。然而，随着新的数字介质选项开始应用于现场仪表服务——尤其是先进物理层以太网（Ethernet-APL），更多的设计师和工程师热衷于规划最佳的前进路径。

Ethernet-APL是基于10BASET-1L标准的单对以太网（SPE）规范的扩展，它可以支持所有高阶以太网通信协议，也支持在危险区域部署的扩展。采用者希望Ethernet-APL可以提供与4-20mA相同或更好的功能，特别是需要考虑目标现场设备工作地点所面临的挑战，有时甚至是危险的环境。

开发人员还必须确定如何处理数据，包括与大量现有装置的兼容性，以及哪些功能即将出现。2007年出现的HART-IP，支持输入/输出（I/O）系统、多路复用器、无线HART网关和其它仪表和设备之间的工业以太网通信（图1）。Ethernet-APL可以提供过程自动化信令选项，HART-IP可以保护最终用户在HART相关技术和培训方面的投资。

▲图1: HART、WirelessHART以及HART-IP是现有过程自动化通信和控制领域领先工业无线协议的演进。图片来源：FCG

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从4-20mA迁移到Ethernet-APL

HART将数字通信叠加在传统的点对点4-20mA信号之上。4-20mA信号是传输媒介，而HART是“通信协议”。通过这种配置，用户可以在保留已知功能并保留现有投资的同时，还可以添加新的通信方式。HART是过程工业中应用非常广泛的数字通信技术，可提供数据访问，包括多个过程变量、仪表状态、校准和诊断信息。

一般来讲，有线以太网在20世纪80年代开始商业化，并很快成为消费和商业网络应用的主导。然而，尽管随着有线以太网的不断发展，功能呈指数式的增长，但它仍然在距离、功率和其它因素方面存在诸多限制，使其不太适合工业现场设备连接。

从企业网络到工厂网络再到控制/现场网络，以太网不断向工厂车间靠拢。事实上，它现在被用作工业自动化应用媒介，特别是在PC、控制器和远程I/O之间，有许多基于以太网的工业通信协议。为了使现代数字计算和网络技术适用于工业用途，Ethernet-APL应运而生，并且非常适合将HART-IP引入现场仪表层。

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Ethernet-APL的优势

Ethernet-APL结合了现有的最佳数字通信技术，并考虑了特定的工业需求，如延长电缆长度、适用于危险区域，具有强大的抗噪声能力。用于过程自动化和仪表的、Ethernet-APL熟悉的双线安装方法，网络交换机之间的距离可达1000米，每个现场设备之间的距离为200米。

Ethernet-APL基于双线以太网（10BASE-T1L），并向过程网络变送器和执行器传输数据和电力。Ethernet-APL基于以太网标准IEEE 802.3cg，数据传输速率为10Mbit/s。Ethernet-APL端口配置文件规范（FCG_TS10186，待定标准名称为IEC TS 63444），进一步定义了用于过程工业中使用的功率和其他参数，包括危险区域（Class 1 Div 1, Zone 0和1；以及较不危险的区域）。

为支持产品安装，Ethernet-APL工程指南（FCG_AG10337）为工程师提供了Ethernet-APL网络规划、安装和验收测试的关键信息。Ethernet-APL的成功部署需要遵循相关规划步骤和精心设计的解决方案。

Ethernet-APL位于协议栈的第1层，即根据ISO/IEC 7498-1以太网制定的ISO/OSI协议栈中所定的物理层。Ethernet-APL是支持以太网的众多物理层之一。与之前的自动化技术不同，Ethernet-APL物理层独立于OSI模型的其它层。

Ethernet-APL也可以与任何基于以太网的协议（例如HART-IP）结合使用。Ethernet-APL遵循NAMUR建议NE 74和NE 168的要求，以定义使用于整个过程自动化行业的网络架构。

与4-20mA信号一样，设备电源通过介质提供。对于通常具有低功率要求的工业仪表来说，它具有显著优势，因为不需要安装单独的电源电路，意味着可以节约大量的资本和安装成本。此外，与4-20mA类似，它还可以在危险区域部署Ethernet-APL。

Ethernet-APL上的通信，以10Mbit/s全双工运行，周期约为10至2000ms。这比商业以太网慢，但对工业通信来说已经足够快了，而且性能可以支持实时控制。Ethernet-APL使用标准工业以太网交换机进行上层通信，并使用专用Ethernet-APL交换机进行控制/现场网络。该技术使用同一个物理层来支持多个协议的同时互操作（图2）。

▲图2：Ethernet-APL是标准以太网的工业级演进。它非常适合将过程仪表与多个主机系统连接，并支持多种协议的同时运行。图片来源：FCG

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Ethernet-APL和HART-IP

为了解决工业过程自动化使用Ethernet-APL的问题，国际现场通信技术基金会（FieldComm Group，简称FCG）扩展了HART-IP，使其具有安全性和更多功能，从而使HART-IP能够部署在工厂网络的现场仪表层中，实施包括控制在内的应用。HART-IP使用简单，独立于底层介质，并且可以在任何网速下与冗余介质（包括网状和环形拓扑）协同工作。

HART-IP允许任何经过认证的主机系统（无论是控制器、资产管理应用还是其它应用）访问测量、设备配置和设备诊断信息并与之集成。在IP网络上与仪表连接的、任何经过认证的主机系统，都可以独立、安全地访问仪表，并且多个主机可以同时与仪表进行交互。

有越来越多的支持HART-IP的现场设备，下一代仪表将用于监控、资产管理，甚至是直接控制应用。FCG组织已准备好测试系统和相关工具，以支持并实现Ethernet-APL上HART-IP产品的注册。HART-IP测试基于FCG组织在HART和基金会现场总线测试方面积累的经验。注册有助于供应商确保其推向市场的设备具有兼容性。

HART-IP支持通常的HART数据模型，使其向后兼容，但它的架构也进一步向前扩展以支持以太网。现有的HART工具可以使用HART-IP产品，并以以太网的速度从HART数据中获益。HART始终能够进行双向通信，HART-IP旨在支持对现场设备的直接控制。

一个特别的优势是HART-IP可以简化和扁平化控制网络，因此更高级别的控制器、应用程序和资源就可以直接访问现场设备信息。上一代工业自动化硬件、软件和网络需要复杂和麻烦的数据传输，通过中间控制器获得现场设备信息，并传递到企业网络。HART-IP有效且简洁地解决了这一需求（图3）。

▲图3：基于Ethernet-APL的HART-IP协议，使工业控制网络扁平化，并使许多高级系统能够访问现场设备信息，以进行监控和直接控制，而无需任何复杂的数据传输方案。图片来源：FCG

虽然还有其它工业以太网协议可用于控制网络的现场仪表服务，但是大量过程用户已经熟悉与HART相关的数据模型和工作实践。在转向新技术时，利用和扩展现有的工具和工作实践带来的风险较小，而不是翻来覆去地替换系统，那需要用户不断学习新的概念和协议。

HART在过程工业中有着悠久的历史，并具有许多未开发的潜力。HART-IP在更大程度上扩展了数据的可用性和可访问性。虽然公司可以开发许多新的工具来利用更高的带宽，但这些用户并不需要等待，因为现有的HART工具可用于HART-IP产品。

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确保符合Ethernet-APL的要求

前面提到的Ethernet-APL端口配置文件规范，定义了功率和其它参数，以将Ethernet-APL应用扩展到过程工业，包括危险区域。Ethernet-APL网络包括各种基础设施设备（电源开关、现场交换机、介质转换器）和现场设备（包括仪表、驱动器、分析仪、电机控制器、网关等）。

合规性确保了各种产品在电源、保护和其它特性，始终符合特定的端口配置要求。Ethernet-APL技术的共同所有者，包括ODVA、OPC基金会、PI组织和国际现场通信技术基金会，他们同意提供同一种物理层测试，以确保符合物理层规范和要求。

每个组织还提供对其支持的自动化协议的测试。FCG组织现在为网络基础设施和HART-IP现场设备（仪表、驱动器等）提供注册服务，从而确保供应商和最终用户的兼容性和性能。

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为什么选择基于Ethernet-APL的HART-IP？

过程自动化最终用户已经对现有的HART和WirelessHART工具、技术和培训进行了大量投资。它们在有线和无线装置中处于领先地位。最终用户、原始设备制造商（OEM）以及为其服务的系统集成商都在努力寻找最佳方法，以实用而经济的方式来采用更新和更高性能的技术，同时保留现有投资。Ethernet-APL和HART-IP使现有商业和工业技术现代化，以更好地满足工业自动化的需求。

Ethernet-APL采用商业技术，使其成为工业应用的理想选择。对于熟悉HART或WirelessHART的用户来说，转换到HART-IP很简单，因为它使用了许多相同的数据结构，而且其软件工具也很相似。最终用户可以利用他们对HART网络和通信技术的理解，将其应用于功能更强大的基于Ethernet-APL的HART-IP装置。

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关键概念： 

■ HART-IP致力于保护最终用户对HART相关技术和培训的投资。

■ Ethernet-APL结合了过程制造业中现有的数字通信技术。

■ Ethernet-APL采用商业技术，使其成为工业应用的理想选择，并在HART技术中使用许多相同的数据结构。

思考一下： 

您如何在工厂中使用Ethernet-APL？它带来了哪些优势？

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▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2023年04月刊《技术文章》栏目：HART-IP 简化了向Ethernet-APL 的过渡

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原文标题：HART-IP：从4-20mA迁移到Ethernet-APL

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