(上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海200233)
摘要：
基于高級物理層(APL)的以太網具有快速、安全、兼容和互操作性等特點，開創性地迎合了工業4.0時代新需求。支持Ethernet-APL控制系統信息層、控制層和設備層的以太網“一網貫通”，實現了工業過程自動化的信息技術(IT)與操作技術(OT)無縫融合，可將底層設備數據直接傳送到較高層級的分布式控制系統(DCS)或云端。Ethernet-APL技術有望成為未來工業自動化的優秀技術，具有廣闊的應用前景。通過介紹典型Ethernet-APL控制系統架構，提出了Ethernet-APL控制系統整體防爆安全設計原則和解決方案，并重點闡釋了現場設備層兩線制本質安全以太網(2-WISE)概念的技術要求與應用規則，旨在促進Ethernet-APL控制系統在石油化工等爆炸性危險場所的推廣應用。
關鍵詞：以太網；高級物理層；控制系統；防爆安全；兩線制本質安全以太網
0 引言
工業過程自動化技術正經受著持續的技術迭代和應用變革。近年來，被廣泛應用于計算機網絡的局域網技術——以太網，通過共享以太網到交換以太網的技術進化，以及基于高速以太網高級物理層(advanced physical layer，APL)協議應用的擴展，使得Ethernet-APL不僅具有速率高、開放性、穩定性、安全性和成本低等特點，而且實現了工業過程控制系統信息層、控制層和設備層的“一網貫通”、底層設備與網絡云端間信息技術(information technology,IT)、操作技術(operation technology,OT)的無縫融合。Ethernet-APL可將現場設備數據直接傳輸到較高層級的分布式控制系統(distributed control system，DCS)、制造執行系統(manufacturing execution system，MES)和工廠資產管理(plant asset management，PAM)系統，甚至根據需要再將數據傳送到云端。Ethernet-APL控制系統是現場總線控制系統(fieldbus control system,FCS)面世以來，工業過程自動化領域又一具有里程碑意義的技術革新，應用前景廣闊。
本文聚焦Ethernet-APL控制系統在石油化工、糧食粉塵等潛在爆炸危險場所的應用，通過介紹典型Ethernet-APL控制系統架構，提出基于Ethernet-APL控制系統防爆安全設計原則和整體解決方案，并重點闡釋了現場設備層兩線制本質安全以太網(2-wire intrinsically safe Ethernet，2-WISE)的概念及其設計要求與安全應用規則。
1. Ethernet-APL控制系統架構
Ethernet-APL采用基于IEEE 802.3cg標準的10BASE-T1L物理層無縫嵌入并擴展以太網物理層，且延用工業自動化技術領域領先的應用層安全技術標準(如IEC 61508和ISA/IEC 62443等)，可很好地滿足兩線制、連線延長、防爆安全、功能安全、信息安全，以及供電與數據同時傳輸等應用。Ethernet-APL支持Ethernet/IP、Hart-IP、Profinet、過程控制的對象連接與嵌入統一架構(object linking and embedding for process control unified archnitecture,OPC UA)或其他高階以太網通信協議，是具有高速通信速率(10 Mbit/s)的新一代過程自動化通信協議[1]。
典型的Ethernet-APL控制系統如圖1所示。一般而言，除上層的DCS外，Ethernet-APL控制系統由APL電源交換機、APL現場交換機和APL現場設備構成[2]。
圖1中，APL電源交換機向上可通過Ethernet 100BASE-TX控制網絡與DCS或云應用相連，向下可通過兩線制主干線(Trunk)連接多臺APL現場交換機。每臺現場交換機可提供最多50個兩線制支線(Spur)端口。基于兩線制的主干線和支線電纜的最大長度取決于由 IEEE 802.3cg中定義的發射信號強度，分別可達 1 000 m和200 m，且支持環形冗余連接方式。
帶有兼容接口的APL現場設備可與APL現場交換機的支線端口連接，并按后文介紹的2-WISE概念對APL現場設備分組，以構建優化的2-WISE控制系統[3]。
2. 控制系統防爆安全設計策略
與傳統控制系統的防爆安全設計相同，Ethernet-APL控制系統的防爆安全設計應基于系統各組成部分的電氣參數、應用特點和可能的安裝區域，綜合運用具有不同設備保護級別(equipment protection level，EPL)的各種防爆技術，在兼顧經濟性、適宜性和可維護性的基礎上，確保系統滿足整體防爆要求。基于防爆安全設計原則，在滿足應用需求的情況下，設備宜部署在危險性較低的危險區域，從而降低設備防爆安全設計成本；對于較復雜設備的防爆實現，一般應采用1種或多種防爆技術，以確保產品的可用性和結構合理性；對于需要帶電維護，且可能應用于0區的設備，應優先采用本質安全防爆技術。
2.1 主干線連接設備防爆解決方案
Ethernet-APL控制系統現場部署如圖2所示。
圖2對構成Ethernet-APL控制系統的相關設備在爆炸性環境安裝的場所(危險區域)給出了推薦建議。
基于工業應用場景和經濟性視角，APL電源交換機一般無需考慮防爆要求，可以部署在安全場所，即非爆炸危險場所。但是，如確有必要，可依據GB/T 3836系列國家標準，按照目標EPL要求，將APL電源交換機設計成防爆設備。對于爆炸性氣體環境的應用，可選用增安型中的“eb”或“ec”、n型中的“nC”或“nR”、隔爆型中的“db”或“dc”、澆封型中的“mb”或“mc”等防爆技術或它們的組合開展防爆設計，以滿足2區或1區危險場所的安全應用。對于爆炸性粉塵環境應用，可采用防粉塵點燃外殼型中的“tb”或“tc”、澆封型中的“mb”或“mc”等防爆技術或它們的組合開展防爆設計，以實現22區或21區危險場所的安全應用要求[4]。
主干線連接的主要設備是APL現場交換機。它是實現Ethernet-APL控制系統防爆的關鍵設備。根據工業控制系統的應用規模，在每根最大允許長度為1 000 m的主干線上可連接若干臺APL現場交換機。這些設備一般都需要部署在爆炸性氣體或爆炸性粉塵危險場所，即爆炸性氣體環境中的1區或2區、爆炸性粉塵環境中的21區或22區。
與上文提及的APL電源交換機防爆安全設計一樣，APL現場交換機的防爆安全設計也應按目標EPL要求，采用增安型、n型、隔爆型、澆封型和防粉塵點燃外殼型等防爆技術或它們的組合開展防爆設計。不同的是，對APL現場交換機連接APL現場設備的兩線制支線端口需要運用本質安全型防爆技術，將其設計成本質安全關聯電路。這可以確保其輸出滿足規定設備保護級別的本質安全要求，以便與APL現場設備或設備組連接，構建Ethernet-APL支線本質安全系統。對于APL現場交換機之間使用光纜通信的情況，還應按GB/T 3836.22和IEC 60079-29標準，對包括連接光纜在內的光輻射設備和傳輸系統采取光輻射保護型(op is, op pr或op sh)防爆技術措施，以確保其在1區、2區或21區、22區爆炸性環境的安全應用。
這里需要特別提示的是，考慮到每臺APL現場交換機通常最多可配置50個兩線制支線端口，其本質安全關聯電路設計宜在滿足設備整體性能和功能的基礎上，按帶有供電電源(含通信功能)和不帶供電電源(僅供通信)這2種本質安全關聯電路輸出端口形式，采用標準化、模塊化和積木化結構，以更靈活地迎合后文介紹的基于2-WISE概念的支線系統本質安全回路的配置要求。適用時，也可考慮不同應用要求，將端口安全參數設計成具有不同EPL的輸出特性(如ia、ib或ic)，以滿足不同支線連接設備在不同區域的安全應用，并體現2-WISE系統配置的合理性和經濟性。
2.2 支線設備本質安全防爆優化技術
人們熟知的現場總線本質安全概念(fieldbus intrinsically safe concept，FISCO)[5]已有20多年的歷史，不再適用于更先進的Ethernet-APL高速通信系統的本質安全系統的設計、評定與安全應用。當然，就本質安全一般原理，Ethernet-APL支線設備系統的本質安全設計可以基于傳統的參量認證，按照“點對點”(1個APL現場交換機端口連接1臺APL現場設備)的組合方式構成本質安全系統。但這樣的本質安全系統配置不能很好地滿足或體現Ethernet-APL系統的功能特性和應用特征。為此，2018年11月，德國倍加福公司聯合恩德斯豪斯(E+H)、艾默生等自動化行業骨干企業，結合其參加的國際“APL項目組”研究工作基礎，通過國際電工委員會(International Electrical Commission,IEC)爆炸性環境用設備標準化技術委員會(IEC TC31)率先發起并提出了制定2-WISE概念國際標準的新項目建議(31G/290/NP)，并于2021年2月正式發布了IEC TS 60079-47:2021《爆炸環境 由兩線制本質安全以太網概念(2-WISE)保護的設備》國際標準。
IEC TS 60079-47:2021針對Ethernet-APL控制系統提出的2-WISE概念，旨在傳承FISCO概念的本質安全系統“多負載”特征，簡化與APL現場交換機每個端口對應支線連接的各種APL現場設備(或設備組)及連接電纜的本質安全核查和評定過程。它是通過為各2-WISE設備端口定義統一、通用的本質安全參數限值，并明晰1套簡明的分組配置規則來實現的，從而達到Ethernet-APL現場設備本質安全系統優化配置的目的，并確保不同供應商提供的2-WISE設備間的可互操作性和本質安全兼容性。
