(上海工業(yè)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(wǎng)具有快速、安全、兼容和互操作性等特點，開創(chuàng)性地迎合了工業(yè)4.0時代新需求。支持Ethernet-APL控制系統(tǒng)信息層、控制層和設(shè)備層的以太網(wǎng)“一網(wǎng)貫通”，實現(xiàn)了工業(yè)過程自動化的信息技術(shù)(IT)與操作技術(shù)(OT)無縫融合，可將底層設(shè)備數(shù)據(jù)直接傳送到較高層級的分布式控制系統(tǒng)(DCS)或云端。Ethernet-APL技術(shù)有望成為未來工業(yè)自動化的優(yōu)秀技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過介紹典型Ethernet-APL控制系統(tǒng)架構(gòu)，提出了Ethernet-APL控制系統(tǒng)整體防爆安全設(shè)計原則和解決方案，并重點闡釋了現(xiàn)場設(shè)備層兩線制本質(zhì)安全以太網(wǎng)(2-WISE)概念的技術(shù)要求與應(yīng)用規(guī)則，旨在促進Ethernet-APL控制系統(tǒng)在石油化工等爆炸性危險場所的推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；高級物理層；控制系統(tǒng)；防爆安全；兩線制本質(zhì)安全以太網(wǎng)
0 引言
工業(yè)過程自動化技術(shù)正經(jīng)受著持續(xù)的技術(shù)迭代和應(yīng)用變革。近年來，被廣泛應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)技術(shù)——以太網(wǎng)，通過共享以太網(wǎng)到交換以太網(wǎng)的技術(shù)進化，以及基于高速以太網(wǎng)高級物理層(advanced physical layer，APL)協(xié)議應(yīng)用的擴展，使得Ethernet-APL不僅具有速率高、開放性、穩(wěn)定性、安全性和成本低等特點，而且實現(xiàn)了工業(yè)過程控制系統(tǒng)信息層、控制層和設(shè)備層的“一網(wǎng)貫通”、底層設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)云端間信息技術(shù)(information technology,IT)、操作技術(shù)(operation technology,OT)的無縫融合。Ethernet-APL可將現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)捷^高層級的分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)和工廠資產(chǎn)管理(plant asset management，PAM)系統(tǒng)，甚至根據(jù)需要再將數(shù)據(jù)傳送到云端。Ethernet-APL控制系統(tǒng)是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system,FCS)面世以來，工業(yè)過程自動化領(lǐng)域又一具有里程碑意義的技術(shù)革新，應(yīng)用前景廣闊。
本文聚焦Ethernet-APL控制系統(tǒng)在石油化工、糧食粉塵等潛在爆炸危險場所的應(yīng)用，通過介紹典型Ethernet-APL控制系統(tǒng)架構(gòu)，提出基于Ethernet-APL控制系統(tǒng)防爆安全設(shè)計原則和整體解決方案，并重點闡釋了現(xiàn)場設(shè)備層兩線制本質(zhì)安全以太網(wǎng)(2-wire intrinsically safe Ethernet，2-WISE)的概念及其設(shè)計要求與安全應(yīng)用規(guī)則。
1. Ethernet-APL控制系統(tǒng)架構(gòu)
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(wǎng)物理層，且延用工業(yè)自動化技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先的應(yīng)用層安全技術(shù)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(shù)據(jù)同時傳輸?shù)葢?yīng)用。Ethernet-APL支持Ethernet/IP、Hart-IP、Profinet、過程控制的對象連接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu)(object linking and embedding for process control unified archnitecture,OPC UA)或其他高階以太網(wǎng)通信協(xié)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(xié)議[1]。
典型的Ethernet-APL控制系統(tǒng)如圖1所示。一般而言，除上層的DCS外，Ethernet-APL控制系統(tǒng)由APL電源交換機、APL現(xiàn)場交換機和APL現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成[2]。
圖1中，APL電源交換機向上可通過Ethernet 100BASE-TX控制網(wǎng)絡(luò)與DCS或云應(yīng)用相連，向下可通過兩線制主干線(Trunk)連接多臺APL現(xiàn)場交換機。每臺現(xiàn)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(fā)射信號強度，分別可達 1 000 m和200 m，且支持環(huán)形冗余連接方式。
帶有兼容接口的APL現(xiàn)場設(shè)備可與APL現(xiàn)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(xiàn)場設(shè)備分組，以構(gòu)建優(yōu)化的2-WISE控制系統(tǒng)[3]。
2. 控制系統(tǒng)防爆安全設(shè)計策略
與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的防爆安全設(shè)計相同，Ethernet-APL控制系統(tǒng)的防爆安全設(shè)計應(yīng)基于系統(tǒng)各組成部分的電氣參數(shù)、應(yīng)用特點和可能的安裝區(qū)域，綜合運用具有不同設(shè)備保護級別(equipment protection level，EPL)的各種防爆技術(shù)，在兼顧經(jīng)濟性、適宜性和可維護性的基礎(chǔ)上，確保系統(tǒng)滿足整體防爆要求。基于防爆安全設(shè)計原則，在滿足應(yīng)用需求的情況下，設(shè)備宜部署在危險性較低的危險區(qū)域，從而降低設(shè)備防爆安全設(shè)計成本；對于較復(fù)雜設(shè)備的防爆實現(xiàn)，一般應(yīng)采用1種或多種防爆技術(shù)，以確保產(chǎn)品的可用性和結(jié)構(gòu)合理性；對于需要帶電維護，且可能應(yīng)用于0區(qū)的設(shè)備，應(yīng)優(yōu)先采用本質(zhì)安全防爆技術(shù)。
2.1 主干線連接設(shè)備防爆解決方案
Ethernet-APL控制系統(tǒng)現(xiàn)場部署如圖2所示。
圖2對構(gòu)成Ethernet-APL控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備在爆炸性環(huán)境安裝的場所(危險區(qū)域)給出了推薦建議。
基于工業(yè)應(yīng)用場景和經(jīng)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(jù)GB/T 3836系列國家標準，按照目標EPL要求，將APL電源交換機設(shè)計成防爆設(shè)備。對于爆炸性氣體環(huán)境的應(yīng)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(shù)或它們的組合開展防爆設(shè)計，以滿足2區(qū)或1區(qū)危險場所的安全應(yīng)用。對于爆炸性粉塵環(huán)境應(yīng)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(shù)或它們的組合開展防爆設(shè)計，以實現(xiàn)22區(qū)或21區(qū)危險場所的安全應(yīng)用要求[4]。
主干線連接的主要設(shè)備是APL現(xiàn)場交換機。它是實現(xiàn)Ethernet-APL控制系統(tǒng)防爆的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)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(xiàn)場交換機。這些設(shè)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(huán)境中的1區(qū)或2區(qū)、爆炸性粉塵環(huán)境中的21區(qū)或22區(qū)。
與上文提及的APL電源交換機防爆安全設(shè)計一樣，APL現(xiàn)場交換機的防爆安全設(shè)計也應(yīng)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(shù)或它們的組合開展防爆設(shè)計。不同的是，對APL現(xiàn)場交換機連接APL現(xiàn)場設(shè)備的兩線制支線端口需要運用本質(zhì)安全型防爆技術(shù)，將其設(shè)計成本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)電路。這可以確保其輸出滿足規(guī)定設(shè)備保護級別的本質(zhì)安全要求，以便與APL現(xiàn)場設(shè)備或設(shè)備組連接，構(gòu)建Ethernet-APL支線本質(zhì)安全系統(tǒng)。對于APL現(xiàn)場交換機之間使用光纜通信的情況，還應(yīng)按GB/T 3836.22和IEC 60079-29標準，對包括連接光纜在內(nèi)的光輻射設(shè)備和傳輸系統(tǒng)采取光輻射保護型(op is, op pr或op sh)防爆技術(shù)措施，以確保其在1區(qū)、2區(qū)或21區(qū)、22區(qū)爆炸性環(huán)境的安全應(yīng)用。
這里需要特別提示的是，考慮到每臺APL現(xiàn)場交換機通常最多可配置50個兩線制支線端口，其本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)電路設(shè)計宜在滿足設(shè)備整體性能和功能的基礎(chǔ)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(zhì)安全關(guān)聯(lián)電路輸出端口形式，采用標準化、模塊化和積木化結(jié)構(gòu)，以更靈活地迎合后文介紹的基于2-WISE概念的支線系統(tǒng)本質(zhì)安全回路的配置要求。適用時，也可考慮不同應(yīng)用要求，將端口安全參數(shù)設(shè)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(shè)備在不同區(qū)域的安全應(yīng)用，并體現(xiàn)2-WISE系統(tǒng)配置的合理性和經(jīng)濟性。
2.2 支線設(shè)備本質(zhì)安全防爆優(yōu)化技術(shù)
人們熟知的現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念(fieldbus intrinsically safe concept，F(xiàn)ISCO)[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(tǒng)的本質(zhì)安全系統(tǒng)的設(shè)計、評定與安全應(yīng)用。當然，就本質(zhì)安全一般原理，Ethernet-APL支線設(shè)備系統(tǒng)的本質(zhì)安全設(shè)計可以基于傳統(tǒng)的參量認證，按照“點對點”(1個APL現(xiàn)場交換機端口連接1臺APL現(xiàn)場設(shè)備)的組合方式構(gòu)成本質(zhì)安全系統(tǒng)。但這樣的本質(zhì)安全系統(tǒng)配置不能很好地滿足或體現(xiàn)Ethernet-APL系統(tǒng)的功能特性和應(yīng)用特征。為此，2018年11月，德國倍加福公司聯(lián)合恩德斯豪斯(E+H)、艾默生等自動化行業(yè)骨干企業(yè)，結(jié)合其參加的國際“APL項目組”研究工作基礎(chǔ)，通過國際電工委員會(International Electrical Commission,IEC)爆炸性環(huán)境用設(shè)備標準化技術(shù)委員會(IEC TC31)率先發(fā)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(fā)布了IEC TS 60079-47:2021《爆炸環(huán)境 由兩線制本質(zhì)安全以太網(wǎng)概念(2-WISE)保護的設(shè)備》國際標準。
IEC TS 60079-47:2021針對Ethernet-APL控制系統(tǒng)提出的2-WISE概念，旨在傳承FISCO概念的本質(zhì)安全系統(tǒng)“多負載”特征，簡化與APL現(xiàn)場交換機每個端口對應(yīng)支線連接的各種APL現(xiàn)場設(shè)備(或設(shè)備組)及連接電纜的本質(zhì)安全核查和評定過程。它是通過為各2-WISE設(shè)備端口定義統(tǒng)一、通用的本質(zhì)安全參數(shù)限值，并明晰1套簡明的分組配置規(guī)則來實現(xiàn)的，從而達到Ethernet-APL現(xiàn)場設(shè)備本質(zhì)安全系統(tǒng)優(yōu)化配置的目的，并確保不同供應(yīng)商提供的2-WISE設(shè)備間的可互操作性和本質(zhì)安全兼容性。
