基于4-20mA的HART協議在整個過程工業中仍然普遍存在，最終用戶可以利用他們對HART網絡和通信技術的理解，將其應用于功能更強大的基于Ethernet-APL的HART-IP裝置。

HART通信協議是關于智能過程控制現場設備與控制或監控主機系統之間的數字信息交換，適用于傳統的4-20mA模擬電流回路。然而，隨著新的數字介質選項開始應用于現場儀表服務——尤其是先進物理層以太網（Ethernet-APL），更多的設計師和工程師熱衷于規劃最佳的前進路徑。

Ethernet-APL是基于10BASET-1L標準的單對以太網（SPE）規范的擴展，它可以支持所有高階以太網通信協議，也支持在危險區域部署的擴展。采用者希望Ethernet-APL可以提供與4-20mA相同或更好的功能，特別是需要考慮目標現場設備工作地點所面臨的挑戰，有時甚至是危險的環境。

開發人員還必須確定如何處理數據，包括與大量現有裝置的兼容性，以及哪些功能即將出現。2007年出現的HART-IP，支持輸入/輸出（I/O）系統、多路復用器、無線HART網關和其它儀表和設備之間的工業以太網通信（圖1）。Ethernet-APL可以提供過程自動化信令選項，HART-IP可以保護最終用戶在HART相關技術和培訓方面的投資。

▲圖1: HART、WirelessHART以及HART-IP是現有過程自動化通信和控制領域領先工業無線協議的演進。圖片來源：FCG

01

從4-20mA遷移到Ethernet-APL

HART將數字通信疊加在傳統的點對點4-20mA信號之上。4-20mA信號是傳輸媒介，而HART是“通信協議”。通過這種配置，用戶可以在保留已知功能并保留現有投資的同時，還可以添加新的通信方式。HART是過程工業中應用非常廣泛的數字通信技術，可提供數據訪問，包括多個過程變量、儀表狀態、校準和診斷信息。

一般來講，有線以太網在20世紀80年代開始商業化，并很快成為消費和商業網絡應用的主導。然而，盡管隨著有線以太網的不斷發展，功能呈指數式的增長，但它仍然在距離、功率和其它因素方面存在諸多限制，使其不太適合工業現場設備連接。

從企業網絡到工廠網絡再到控制/現場網絡，以太網不斷向工廠車間靠攏。事實上，它現在被用作工業自動化應用媒介，特別是在PC、控制器和遠程I/O之間，有許多基于以太網的工業通信協議。為了使現代數字計算和網絡技術適用于工業用途，Ethernet-APL應運而生，并且非常適合將HART-IP引入現場儀表層。

02

Ethernet-APL的優勢

Ethernet-APL結合了現有的最佳數字通信技術，并考慮了特定的工業需求，如延長電纜長度、適用于危險區域，具有強大的抗噪聲能力。用于過程自動化和儀表的、Ethernet-APL熟悉的雙線安裝方法，網絡交換機之間的距離可達1000米，每個現場設備之間的距離為200米。

Ethernet-APL基于雙線以太網（10BASE-T1L），并向過程網絡變送器和執行器傳輸數據和電力。Ethernet-APL基于以太網標準IEEE 802.3cg，數據傳輸速率為10Mbit/s。Ethernet-APL端口配置文件規范（FCG_TS10186，待定標準名稱為IEC TS 63444），進一步定義了用于過程工業中使用的功率和其他參數，包括危險區域（Class 1 Div 1, Zone 0和1；以及較不危險的區域）。

為支持產品安裝，Ethernet-APL工程指南（FCG_AG10337）為工程師提供了Ethernet-APL網絡規劃、安裝和驗收測試的關鍵信息。Ethernet-APL的成功部署需要遵循相關規劃步驟和精心設計的解決方案。

Ethernet-APL位于協議棧的第1層，即根據ISO/IEC 7498-1以太網制定的ISO/OSI協議棧中所定的物理層。Ethernet-APL是支持以太網的眾多物理層之一。與之前的自動化技術不同，Ethernet-APL物理層獨立于OSI模型的其它層。

Ethernet-APL也可以與任何基于以太網的協議（例如HART-IP）結合使用。Ethernet-APL遵循NAMUR建議NE 74和NE 168的要求，以定義使用于整個過程自動化行業的網絡架構。

與4-20mA信號一樣，設備電源通過介質提供。對于通常具有低功率要求的工業儀表來說，它具有顯著優勢，因為不需要安裝單獨的電源電路，意味著可以節約大量的資本和安裝成本。此外，與4-20mA類似，它還可以在危險區域部署Ethernet-APL。

Ethernet-APL上的通信，以10Mbit/s全雙工運行，周期約為10至2000ms。這比商業以太網慢，但對工業通信來說已經足夠快了，而且性能可以支持實時控制。Ethernet-APL使用標準工業以太網交換機進行上層通信，并使用專用Ethernet-APL交換機進行控制/現場網絡。該技術使用同一個物理層來支持多個協議的同時互操作（圖2）。

▲圖2：Ethernet-APL是標準以太網的工業級演進。它非常適合將過程儀表與多個主機系統連接，并支持多種協議的同時運行。圖片來源：FCG

03

Ethernet-APL和HART-IP

為了解決工業過程自動化使用Ethernet-APL的問題，國際現場通信技術基金會（FieldComm Group，簡稱FCG）擴展了HART-IP，使其具有安全性和更多功能，從而使HART-IP能夠部署在工廠網絡的現場儀表層中，實施包括控制在內的應用。HART-IP使用簡單，獨立于底層介質，并且可以在任何網速下與冗余介質（包括網狀和環形拓撲）協同工作。

HART-IP允許任何經過認證的主機系統（無論是控制器、資產管理應用還是其它應用）訪問測量、設備配置和設備診斷信息并與之集成。在IP網絡上與儀表連接的、任何經過認證的主機系統，都可以獨立、安全地訪問儀表，并且多個主機可以同時與儀表進行交互。

有越來越多的支持HART-IP的現場設備，下一代儀表將用于監控、資產管理，甚至是直接控制應用。FCG組織已準備好測試系統和相關工具，以支持并實現Ethernet-APL上HART-IP產品的注冊。HART-IP測試基于FCG組織在HART和基金會現場總線測試方面積累的經驗。注冊有助于供應商確保其推向市場的設備具有兼容性。

HART-IP支持通常的HART數據模型，使其向后兼容，但它的架構也進一步向前擴展以支持以太網。現有的HART工具可以使用HART-IP產品，并以以太網的速度從HART數據中獲益。HART始終能夠進行雙向通信，HART-IP旨在支持對現場設備的直接控制。

一個特別的優勢是HART-IP可以簡化和扁平化控制網絡，因此更高級別的控制器、應用程序和資源就可以直接訪問現場設備信息。上一代工業自動化硬件、軟件和網絡需要復雜和麻煩的數據傳輸，通過中間控制器獲得現場設備信息，并傳遞到企業網絡。HART-IP有效且簡潔地解決了這一需求（圖3）。

▲圖3：基于Ethernet-APL的HART-IP協議，使工業控制網絡扁平化，并使許多高級系統能夠訪問現場設備信息，以進行監控和直接控制，而無需任何復雜的數據傳輸方案。圖片來源：FCG

雖然還有其它工業以太網協議可用于控制網絡的現場儀表服務，但是大量過程用戶已經熟悉與HART相關的數據模型和工作實踐。在轉向新技術時，利用和擴展現有的工具和工作實踐帶來的風險較小，而不是翻來覆去地替換系統，那需要用戶不斷學習新的概念和協議。

HART在過程工業中有著悠久的歷史，并具有許多未開發的潛力。HART-IP在更大程度上擴展了數據的可用性和可訪問性。雖然公司可以開發許多新的工具來利用更高的帶寬，但這些用戶并不需要等待，因為現有的HART工具可用于HART-IP產品。

04

確保符合Ethernet-APL的要求

前面提到的Ethernet-APL端口配置文件規范，定義了功率和其它參數，以將Ethernet-APL應用擴展到過程工業，包括危險區域。Ethernet-APL網絡包括各種基礎設施設備（電源開關、現場交換機、介質轉換器）和現場設備（包括儀表、驅動器、分析儀、電機控制器、網關等）。

合規性確保了各種產品在電源、保護和其它特性，始終符合特定的端口配置要求。Ethernet-APL技術的共同所有者，包括ODVA、OPC基金會、PI組織和國際現場通信技術基金會，他們同意提供同一種物理層測試，以確保符合物理層規范和要求。

每個組織還提供對其支持的自動化協議的測試。FCG組織現在為網絡基礎設施和HART-IP現場設備（儀表、驅動器等）提供注冊服務，從而確保供應商和最終用戶的兼容性和性能。

05

為什么選擇基于Ethernet-APL的HART-IP？

過程自動化最終用戶已經對現有的HART和WirelessHART工具、技術和培訓進行了大量投資。它們在有線和無線裝置中處于領先地位。最終用戶、原始設備制造商（OEM）以及為其服務的系統集成商都在努力尋找最佳方法，以實用而經濟的方式來采用更新和更高性能的技術，同時保留現有投資。Ethernet-APL和HART-IP使現有商業和工業技術現代化，以更好地滿足工業自動化的需求。

Ethernet-APL采用商業技術，使其成為工業應用的理想選擇。對于熟悉HART或WirelessHART的用戶來說，轉換到HART-IP很簡單，因為它使用了許多相同的數據結構，而且其軟件工具也很相似。最終用戶可以利用他們對HART網絡和通信技術的理解，將其應用于功能更強大的基于Ethernet-APL的HART-IP裝置。

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關鍵概念：

■ HART-IP致力于保護最終用戶對HART相關技術和培訓的投資。

■Ethernet-APL結合了過程制造業中現有的數字通信技術。

■Ethernet-APL采用商業技術，使其成為工業應用的理想選擇，并在HART技術中使用許多相同的數據結構。

思考一下：

您如何在工廠中使用Ethernet-APL？它帶來了哪些優勢？

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▲本文來自于控制工程中文版雜志（CONTROL ENGINEERING China）2023年04月刊《技術文章》欄目：HART-IP 簡化了向Ethernet-APL 的過渡

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原文標題：HART-IP：從4-20mA遷移到Ethernet-APL

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