方原柏

(昆明仪器仪表学会,云南 昆明 650228)

2021年6月7日,由FieldComm集团、ODVA公司、OPC基金会、PROFIBUS和PROFINET国际(PI)共同发布了1.00版《Ethernet-APL工程规范》[1],2022年9月19日发布了1.14版,这是该规范15个月内发布的第8个版本。在该版中列出了APL网络的最佳实践规划示例,目的是可以原样重复使用典型网络拓扑,而无需进行繁琐计算或深一步的考虑。由于该规范1.13版中已经删除未供电的主干线拓扑,所以笔者撰写的“Ethernet-APL两线以太网技术介绍”[2]中列举的三种Ethernet-APL系统的可能拓扑结构只剩下两种: APL主干线带电源、现场交换机与标准交换机直接连接,本文将分别介绍Ethernet-APL工程规范中这两种拓扑结构的最佳实践规范示例。

1 电源等级规定

电源等级描述了电源端口可以驱动或负载端口接收的功率,表1介绍了电源端口电源等级和负载端口允许组合的电源等级。

表1 电源端口电源等级和负载端口允许组合的电源等级

2 APL主干线带电源的最佳实践规划示例

APL主干线带电源最佳实践规划示例的先决条件和6种典型示例应用如下。

2.1 先决条件

由于APL主干线带电源为APL现场交换机和连接至现场交换机的APL现场设备供电,因此必须考虑主干线电缆上的电压降。最佳实践规划示例的先决条件见表2所列。

2.2 示例1

带电源主干线的单台现场交换机的应用示例如图1所示,主干线采用1.5 mm2(16AWG)的电缆,允许长度达800 m,单台APL现场交换机最多连接12台APL现场设备,支线长度限制在90 m内。

图1 单台现场交换机的应用示例示意

2.3 示例2

带电源主干线和靠近安装的2台现场交换机的应用示例如图2所示。APL主干线使用1.5 mm2的电缆,APL电源交换机和第1台现场交换机之间的主干线长度可达400 m,2台现场交换机之间的主干线长度不大于1 m。支线长度限制在30 m内,每台交换机最多连接12台APL现场设备。

图2 2台现场交换机靠近安装的应用示例示意

2.4 示例3

带电源主干线且分散式安装的3台现场交换机应用示例如图3所示。相邻APL现场交换机之间的距离为100 m,每台现场交换机可各连接4台现场设备,支线的长度限制在80 m内。该应用中APL电源交换机和第1台APL现场交换机之间的距离在使用1.0 mm2主干电缆时,可以为400 m;在使用1.5 mm2主干电缆时,可以为600 m;使用2.5 mm2主干电缆时,可以为1 km。

图3 分散式安装的3台现场交换机的应用示例示意

2.5 示例4

带电源主干线且分散安装的4台现场交换机的应用示例如图4所示。APL主干线使用1.5 mm2的电缆,APL电源交换机和第1台现场交换机之间的主干线长度可达290 m,相邻现场交换机之间的距离为50 m。支线长度限制在30 m内,每台现场交换机连接6台现场设备。

图4 分散式安装的4台现场交换机的应用示例示意

2.6 示例5

带电源主干线且最多配备3台APL现场交换机,安装大量现场设备的应用示例如图5所示。其中,APL现场交换机的所有16个支线端口都可用于连接1台APL现场设备。支线最大允许长度为200 m,采用1.0 mm2电缆的主干线长度见表3所列,采用1.5 mm2电缆的主干线长度见表4所列,采用2.5 mm2电缆的主干线长度见表5所列,表3～表5显示了每条主干线最多配备3台APL现场交换机的距离A,B,C可能的组合,该距离取决于电源主干线电缆的横截面积。

图5 安装大量现场设备的3台APL现场交换机的应用示例示意

表3 采用1.0 mm2(18AWG)电缆的主干线长度 m

表4 采用1.5 mm2(16AWG)电缆的主干线长度 m

表5 采用2.5 mm2(14AWG)电缆的主干线长度 m

以表3中的类型1为例,当APL主干线采用1.0 mm2电缆时,图5中的A,B,C可能的长度均应小于125 m;当要求A限制在900 m内时,可查类型2的数据,可知第2,3台现场交换机必须在第1台现场交换机附近位置安装,即B,C均不大于1 m;当C在125～250 m时,可查类型3的数据,要求A和B均不大于100 m;当C在250～750 m时,可查类型4的数据,要求A和B均不大于1 m,即第1,2台现场交换机必须在电源交换机附近位置安装。

当APL主干线采用1.5 mm2电缆时,可查看表4的数据。图5中的A,B,C均应小于185 m时,适合类型1;当要求A限制在1 km内时,可查类型2的数据,可知第2,3台现场交换机必须在第1台现场交换机附近位置安装,即B,C均不大于1 m;当C在185～500 m时,可查类型3的数据,要求A和B均不大于100 m;当C在500～1 000 m时,可查类型4的数据,要求A和B均不大于1 m,即第1,2台现场交换机必须在电源交换机附近位置安装。

当APL主干线采用2.5 mm2电缆时,可查看表5的数据。图5中的A,B,C均应小于310 m时,适合于类型1;当A限制在1 km内时,则可查类型2的数据,可知第2,3台现场交换机必须在第1台现场交换机附近位置安装,即B,C均不大于1 m;当C在310～500 m时,可查类型3的数据,要求A和B均不大于100 m;当C在310～1 000 m时,可查类型4的数据,要求第A和B均不大于1 m,即第1,2台现场交换机必须在电源交换机附近位置安装。

上述示例考虑了现场交换机的数量、APL现场设备的数量、支线长度,然后从中推导出允许的最大主干线长度。

2.7 示例6

在主干线分段和支线的最大长度条件下,APL现场交换机所能接入的现场设备的最大数量如下: 当APL主干线为1.5 mm2的电缆时,最多可以将2台现场设备连接到2台现场交换机中的任一台;当APL主干线为2.5 mm2的电缆时,每台现场交换机的现场设备数量增加到3台。

如果生产现场的配置不符合上述6个最佳实践规划的要求,可以根据《Ethernet-APL工程规范》附录10.2中数据进行计算。

APL现场交换机和现场设备的电源需要通过APL主干线电缆传输,从上述的6个示例可知,该传输方式导致了APL现场交换机数量、APL现场设备数量和电缆长度方面的很多限制。如果计划中的应用需要更高的额定值,建议使用将APL现场交换机直接连接到工业以太网的解决方案。

3 APL现场交换机与标准交换机直接连接的最佳实践规划示例

APL现场交换机通过光纤直接连接至工业以太网控制网络的标准交换机的配置如图6所示,可将大量APL现场设备以最大分支长度连接到多台APL现场交换机后,再通过光纤连接到工业以太网。通常允许标准交换机与APL现场交换机之间的连接距离达到2 km,n台现场交换机每台最多有16台APL现场设备接入。该示例的主要限制有两点: 可连接到上位机PLC/DCS的设备数量,工业以太网上控制器和最远设备之间交换机的数量。

图6 通过光纤将APL现场交换机连接至工业以太网的应用示例示意

4 最佳实践规划示例总结

4.1 最佳实践规划研究前后对比

在未仔细研究最佳实践规划示例之前,笔者对APL主干线带电源的拓扑规划: 主干线长度1 km,支线长度200 m,现场交换机接入APL现场设备的数量最多50台,实际取决于现场交换机的APL端口数量,如8台、16台、24台等。

经过仔细研究最佳实践规划示例之后,笔者发现: 做拓扑规划时所使用的数据实际是一些最大值,相关具体数值取决于以下因素: 电源端口电源等级、主干线电缆的截面积、APL现场交换机数量、APL现场设备数量、APL现场设备的最大电流消耗值、电缆的环境温度等。如果实际工程项目的具体配置条件符合上述示例,则可直接套用,否则需按《Ethernet-APL工程规范》附录10.2的相关规定计算。

4.2 APL主干线带电源

APL主干线带电源的最佳实践规划具有以下特点: 现场交换机无需辅助电源,通过电源主干线提供电源。APL主干线的最大允许长度取决于APL现场交换机的定位以及连接到APL现场交换机的APL现场设备的数量和功耗,主干线电缆的横截面积是长度计算的一部分。

APL主干线上的数据传输速率为10 Mibit/s,需要观察网络通信负载。应遵守等电位连接,尤其是对于长主干线段。

4.3 APL现场交换机与标准交换机直接连接

APL现场交换机与标准交换机直接连接的最佳实践规划具有以下特点: 未使用APL主干线,应为现场交换机供电提供所需的现场辅助电源,由于APL现场交换机以100 Mibit/s的传输速率直接连接到工业以太网,因此数据速率并不重要;如果工业以太网使用光纤电缆,则等电位连接不重要。

5 结束语

对《Ethernet-APL工程规范》中的最佳实践规划示例深入了解,一方面可在设计Ethernet-APL工程时借用最佳实践规范示例做好主要部件安装位置确认、配置管线,另一方面还可根据工程项目的特点,如相对可分割的工序数量、测点数量及分散程度等确定待选的最佳实践规划示例,然后进一步确定Ethernet-APL工程的拓扑方案、主要部件(如电源交换机、现场交换机)的选型和数量等。因此,设计人员在工程实施过程中,有必要认真学习《Ethernet-APL工程规范》中的最佳实践规划示例等相关内容。