(上海工業(yè)自動(dòng)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(diǎn)，開(kāi)創(chuàng )性地迎合了工業(yè)4.0時(shí)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(wǎng)“一網(wǎng)貫通”，實(shí)現了工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的信息技術(shù)(IT)與操作技術(shù)(OT)無(wú)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(shù)有望成為未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化的優(yōu)秀技術(shù)，具有廣闊的應用前景。通過(guò)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(diǎn)闡釋了現場(chǎng)設備層兩線(xiàn)制本質(zhì)安全以太網(wǎng)(2-WISE)概念的技術(shù)要求與應用規則，旨在促進(jìn)Ethernet-APL控制系統在石油化工等爆炸性危險場(chǎng)所的推廣應用。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；高級物理層；控制系統；防爆安全；兩線(xiàn)制本質(zhì)安全以太網(wǎng)
0 引言
工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)正經(jīng)受著(zhù)持續的技術(shù)迭代和應用變革。近年來(lái)，被廣泛應用于計算機網(wǎng)絡(luò )的局域網(wǎng)技術(shù)——以太網(wǎng)，通過(guò)共享以太網(wǎng)到交換以太網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)化，以及基于高速以太網(wǎng)高級物理層(advanced physical layer，APL)協(xié)議應用的擴展，使得Ethernet-APL不僅具有速率高、開(kāi)放性、穩定性、安全性和成本低等特點(diǎn)，而且實(shí)現了工業(yè)過(guò)程控制系統信息層、控制層和設備層的“一網(wǎng)貫通”、底層設備與網(wǎng)絡(luò )云端間信息技術(shù)(information technology,IT)、操作技術(shù)(operation technology,OT)的無(wú)縫融合。Ethernet-APL可將現場(chǎng)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(chǎng)資產(chǎn)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(chǎng)總線(xiàn)控制系統(fieldbus control system,FCS)面世以來(lái)，工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域又一具有里程碑意義的技術(shù)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(chǎng)所的應用，通過(guò)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(diǎn)闡釋了現場(chǎng)設備層兩線(xiàn)制本質(zhì)安全以太網(wǎng)(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(wú)縫嵌入并擴展以太網(wǎng)物理層，且延用工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先的應用層安全技術(shù)標準(如IEC 61508和ISA/IEC 62443等)，可很好地滿(mǎn)足兩線(xiàn)制、連線(xiàn)延長(cháng)、防爆安全、功能安全、信息安全，以及供電與數據同時(shí)傳輸等應用。Ethernet-APL支持Ethernet/IP、Hart-IP、Profinet、過(guò)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(wǎng)通信協(xié)議，是具有高速通信速率(10 Mbit/s)的新一代過(guò)程自動(dòng)化通信協(xié)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(chǎng)交換機和APL現場(chǎng)設備構成[2]。
圖1中，APL電源交換機向上可通過(guò)Ethernet 100BASE-TX控制網(wǎng)絡(luò )與DCS或云應用相連，向下可通過(guò)兩線(xiàn)制主干線(xiàn)(Trunk)連接多臺APL現場(chǎng)交換機。每臺現場(chǎng)交換機可提供最多50個(gè)兩線(xiàn)制支線(xiàn)(Spur)端口?；趦删€(xiàn)制的主干線(xiàn)和支線(xiàn)電纜的最大長(cháng)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現場(chǎng)設備可與APL現場(chǎng)交換機的支線(xiàn)端口連接，并按后文介紹的2-WISE概念對APL現場(chǎng)設備分組，以構建優(yōu)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(diǎn)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(shù)，在兼顧經(jīng)濟性、適宜性和可維護性的基礎上，確保系統滿(mǎn)足整體防爆要求?；诜辣踩O計原則，在滿(mǎn)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(shí)現，一般應采用1種或多種防爆技術(shù)，以確保產(chǎn)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(yōu)先采用本質(zhì)安全防爆技術(shù)。
2.1 主干線(xiàn)連接設備防爆解決方案
Ethernet-APL控制系統現場(chǎng)部署如圖2所示。
圖2對構成Ethernet-APL控制系統的相關(guān)設備在爆炸性環(huán)境安裝的場(chǎng)所(危險區域)給出了推薦建議。
基于工業(yè)應用場(chǎng)景和經(jīng)濟性視角，APL電源交換機一般無(wú)需考慮防爆要求，可以部署在安全場(chǎng)所，即非爆炸危險場(chǎng)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(huán)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(shù)或它們的組合開(kāi)展防爆設計，以滿(mǎn)足2區或1區危險場(chǎng)所的安全應用。對于爆炸性粉塵環(huán)境應用，可采用防粉塵點(diǎn)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(kāi)展防爆設計，以實(shí)現22區或21區危險場(chǎng)所的安全應用要求[4]。
主干線(xiàn)連接的主要設備是APL現場(chǎng)交換機。它是實(shí)現Ethernet-APL控制系統防爆的關(guān)鍵設備。根據工業(yè)控制系統的應用規模，在每根最大允許長(cháng)度為1 000 m的主干線(xiàn)上可連接若干臺APL現場(chǎng)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(chǎng)所，即爆炸性氣體環(huán)境中的1區或2區、爆炸性粉塵環(huán)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(chǎng)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(diǎn)燃外殼型等防爆技術(shù)或它們的組合開(kāi)展防爆設計。不同的是，對APL現場(chǎng)交換機連接APL現場(chǎng)設備的兩線(xiàn)制支線(xiàn)端口需要運用本質(zhì)安全型防爆技術(shù)，將其設計成本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)電路。這可以確保其輸出滿(mǎn)足規定設備保護級別的本質(zhì)安全要求，以便與APL現場(chǎng)設備或設備組連接，構建Ethernet-APL支線(xiàn)本質(zhì)安全系統。對于A(yíng)PL現場(chǎng)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(shù)措施，以確保其在1區、2區或21區、22區爆炸性環(huán)境的安全應用。
這里需要特別提示的是，考慮到每臺APL現場(chǎng)交換機通常最多可配置50個(gè)兩線(xiàn)制支線(xiàn)端口，其本質(zhì)安全關(guān)聯(lián)電路設計宜在滿(mǎn)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(zhì)安全關(guān)聯(lián)電路輸出端口形式，采用標準化、模塊化和積木化結構，以更靈活地迎合后文介紹的基于2-WISE概念的支線(xiàn)系統本質(zhì)安全回路的配置要求。適用時(shí)，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(mǎn)足不同支線(xiàn)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(jīng)濟性。
2.2 支線(xiàn)設備本質(zhì)安全防爆優(yōu)化技術(shù)
人們熟知的現場(chǎng)總線(xiàn)本質(zhì)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(jìn)的Ethernet-APL高速通信系統的本質(zhì)安全系統的設計、評定與安全應用。當然，就本質(zhì)安全一般原理，Ethernet-APL支線(xiàn)設備系統的本質(zhì)安全設計可以基于傳統的參量認證，按照“點(diǎn)對點(diǎn)”(1個(gè)APL現場(chǎng)交換機端口連接1臺APL現場(chǎng)設備)的組合方式構成本質(zhì)安全系統。但這樣的本質(zhì)安全系統配置不能很好地滿(mǎn)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(lián)合恩德斯豪斯(E+H)、艾默生等自動(dòng)化行業(yè)骨干企業(yè)，結合其參加的國際“APL項目組”研究工作基礎，通過(guò)國際電工委員會(huì )(International Electrical Commission,IEC)爆炸性環(huán)境用設備標準化技術(shù)委員會(huì )(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(xiàn)制本質(zhì)安全以太網(wǎng)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(zhì)安全系統“多負載”特征，簡(jiǎn)化與APL現場(chǎng)交換機每個(gè)端口對應支線(xiàn)連接的各種APL現場(chǎng)設備(或設備組)及連接電纜的本質(zhì)安全核查和評定過(guò)程。它是通過(guò)為各2-WISE設備端口定義統一、通用的本質(zhì)安全參數限值，并明晰1套簡(jiǎn)明的分組配置規則來(lái)實(shí)現的，從而達到Ethernet-APL現場(chǎng)設備本質(zhì)安全系統優(yōu)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(zhì)安全兼容性。
