方原柏

(昆明儀器儀表學(xué)會(huì),云南 昆明 650228)

2021年6月7日,由FieldComm集團(tuán)、ODVA公司、OPC基金會(huì)、PROFIBUS和PROFINET國際(PI)共同發(fā)布了1.00版《Ethernet-APL工程規(guī)范》[1],2022年9月19日發(fā)布了1.14版,這是該規(guī)范15個(gè)月內(nèi)發(fā)布的第8個(gè)版本。在該版中列出了APL網(wǎng)絡(luò)的最佳實(shí)踐規(guī)劃示例,目的是可以原樣重復(fù)使用典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?而無需進(jìn)行繁瑣計(jì)算或深一步的考慮。由于該規(guī)范1.13版中已經(jīng)刪除未供電的主干線拓?fù)?所以筆者撰寫的“Ethernet-APL兩線以太網(wǎng)技術(shù)介紹”[2]中列舉的三種Ethernet-APL系統(tǒng)的可能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只剩下兩種: APL主干線帶電源、現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)直接連接,本文將分別介紹Ethernet-APL工程規(guī)范中這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最佳實(shí)踐規(guī)范示例。

1 電源等級(jí)規(guī)定

電源等級(jí)描述了電源端口可以驅(qū)動(dòng)或負(fù)載端口接收的功率,表1介紹了電源端口電源等級(jí)和負(fù)載端口允許組合的電源等級(jí)。

表1 電源端口電源等級(jí)和負(fù)載端口允許組合的電源等級(jí)

2 APL主干線帶電源的最佳實(shí)踐規(guī)劃示例

APL主干線帶電源最佳實(shí)踐規(guī)劃示例的先決條件和6種典型示例應(yīng)用如下。

2.1 先決條件

由于APL主干線帶電源為APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)和連接至現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電,因此必須考慮主干線電纜上的電壓降。最佳實(shí)踐規(guī)劃示例的先決條件見表2所列。

2.2 示例1

帶電源主干線的單臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的應(yīng)用示例如圖1所示,主干線采用1.5 mm2(16AWG)的電纜,允許長(zhǎng)度達(dá)800 m,單臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)最多連接12臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,支線長(zhǎng)度限制在90 m內(nèi)。

圖1 單臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的應(yīng)用示例示意

2.3 示例2

帶電源主干線和靠近安裝的2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的應(yīng)用示例如圖2所示。APL主干線使用1.5 mm2的電纜,APL電源交換機(jī)和第1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)之間的主干線長(zhǎng)度可達(dá)400 m,2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)之間的主干線長(zhǎng)度不大于1 m。支線長(zhǎng)度限制在30 m內(nèi),每臺(tái)交換機(jī)最多連接12臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

圖2 2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)靠近安裝的應(yīng)用示例示意

2.4 示例3

帶電源主干線且分散式安裝的3臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)應(yīng)用示例如圖3所示。相鄰APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)之間的距離為100 m,每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)可各連接4臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,支線的長(zhǎng)度限制在80 m內(nèi)。該應(yīng)用中APL電源交換機(jī)和第1臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)之間的距離在使用1.0 mm2主干電纜時(shí),可以為400 m;在使用1.5 mm2主干電纜時(shí),可以為600 m;使用2.5 mm2主干電纜時(shí),可以為1 km。

圖3 分散式安裝的3臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的應(yīng)用示例示意

2.5 示例4

帶電源主干線且分散安裝的4臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的應(yīng)用示例如圖4所示。APL主干線使用1.5 mm2的電纜,APL電源交換機(jī)和第1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)之間的主干線長(zhǎng)度可達(dá)290 m,相鄰現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)之間的距離為50 m。支線長(zhǎng)度限制在30 m內(nèi),每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)連接6臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

圖4 分散式安裝的4臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的應(yīng)用示例示意

2.6 示例5

帶電源主干線且最多配備3臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī),安裝大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的應(yīng)用示例如圖5所示。其中,APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的所有16個(gè)支線端口都可用于連接1臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。支線最大允許長(zhǎng)度為200 m,采用1.0 mm2電纜的主干線長(zhǎng)度見表3所列,采用1.5 mm2電纜的主干線長(zhǎng)度見表4所列,采用2.5 mm2電纜的主干線長(zhǎng)度見表5所列,表3～表5顯示了每條主干線最多配備3臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的距離A,B,C可能的組合,該距離取決于電源主干線電纜的橫截面積。

圖5 安裝大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的3臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的應(yīng)用示例示意

表3 采用1.0 mm2(18AWG)電纜的主干線長(zhǎng)度 m

表4 采用1.5 mm2(16AWG)電纜的主干線長(zhǎng)度 m

表5 采用2.5 mm2(14AWG)電纜的主干線長(zhǎng)度 m

以表3中的類型1為例,當(dāng)APL主干線采用1.0 mm2電纜時(shí),圖5中的A,B,C可能的長(zhǎng)度均應(yīng)小于125 m;當(dāng)要求A限制在900 m內(nèi)時(shí),可查類型2的數(shù)據(jù),可知第2,3臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)必須在第1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)附近位置安裝,即B,C均不大于1 m;當(dāng)C在125～250 m時(shí),可查類型3的數(shù)據(jù),要求A和B均不大于100 m;當(dāng)C在250～750 m時(shí),可查類型4的數(shù)據(jù),要求A和B均不大于1 m,即第1,2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)必須在電源交換機(jī)附近位置安裝。

當(dāng)APL主干線采用1.5 mm2電纜時(shí),可查看表4的數(shù)據(jù)。圖5中的A,B,C均應(yīng)小于185 m時(shí),適合類型1;當(dāng)要求A限制在1 km內(nèi)時(shí),可查類型2的數(shù)據(jù),可知第2,3臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)必須在第1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)附近位置安裝,即B,C均不大于1 m;當(dāng)C在185～500 m時(shí),可查類型3的數(shù)據(jù),要求A和B均不大于100 m;當(dāng)C在500～1 000 m時(shí),可查類型4的數(shù)據(jù),要求A和B均不大于1 m,即第1,2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)必須在電源交換機(jī)附近位置安裝。

當(dāng)APL主干線采用2.5 mm2電纜時(shí),可查看表5的數(shù)據(jù)。圖5中的A,B,C均應(yīng)小于310 m時(shí),適合于類型1;當(dāng)A限制在1 km內(nèi)時(shí),則可查類型2的數(shù)據(jù),可知第2,3臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)必須在第1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)附近位置安裝,即B,C均不大于1 m;當(dāng)C在310～500 m時(shí),可查類型3的數(shù)據(jù),要求A和B均不大于100 m;當(dāng)C在310～1 000 m時(shí),可查類型4的數(shù)據(jù),要求第A和B均不大于1 m,即第1,2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)必須在電源交換機(jī)附近位置安裝。

上述示例考慮了現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的數(shù)量、APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)量、支線長(zhǎng)度,然后從中推導(dǎo)出允許的最大主干線長(zhǎng)度。

2.7 示例6

在主干線分段和支線的最大長(zhǎng)度條件下,APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)所能接入的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的最大數(shù)量如下: 當(dāng)APL主干線為1.5 mm2的電纜時(shí),最多可以將2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到2臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)中的任一臺(tái);當(dāng)APL主干線為2.5 mm2的電纜時(shí),每臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量增加到3臺(tái)。

如果生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的配置不符合上述6個(gè)最佳實(shí)踐規(guī)劃的要求,可以根據(jù)《Ethernet-APL工程規(guī)范》附錄10.2中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電源需要通過APL主干線電纜傳輸,從上述的6個(gè)示例可知,該傳輸方式導(dǎo)致了APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)數(shù)量、APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量和電纜長(zhǎng)度方面的很多限制。如果計(jì)劃中的應(yīng)用需要更高的額定值,建議使用將APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)的解決方案。

3 APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)直接連接的最佳實(shí)踐規(guī)劃示例

APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)通過光纖直接連接至工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)的配置如圖6所示,可將大量APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以最大分支長(zhǎng)度連接到多臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)后,再通過光纖連接到工業(yè)以太網(wǎng)。通常允許標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)與APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)之間的連接距離達(dá)到2 km,n臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)每臺(tái)最多有16臺(tái)APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入。該示例的主要限制有兩點(diǎn): 可連接到上位機(jī)PLC/DCS的設(shè)備數(shù)量,工業(yè)以太網(wǎng)上控制器和最遠(yuǎn)設(shè)備之間交換機(jī)的數(shù)量。

圖6 通過光纖將APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)連接至工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用示例示意

4 最佳實(shí)踐規(guī)劃示例總結(jié)

4.1 最佳實(shí)踐規(guī)劃研究前后對(duì)比

在未仔細(xì)研究最佳實(shí)踐規(guī)劃示例之前,筆者對(duì)APL主干線帶電源的拓?fù)湟?guī)劃: 主干線長(zhǎng)度1 km,支線長(zhǎng)度200 m,現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)接入APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)量最多50臺(tái),實(shí)際取決于現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的APL端口數(shù)量,如8臺(tái)、16臺(tái)、24臺(tái)等。

經(jīng)過仔細(xì)研究最佳實(shí)踐規(guī)劃示例之后,筆者發(fā)現(xiàn): 做拓?fù)湟?guī)劃時(shí)所使用的數(shù)據(jù)實(shí)際是一些最大值,相關(guān)具體數(shù)值取決于以下因素: 電源端口電源等級(jí)、主干線電纜的截面積、APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)數(shù)量、APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量、APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的最大電流消耗值、電纜的環(huán)境溫度等。如果實(shí)際工程項(xiàng)目的具體配置條件符合上述示例,則可直接套用,否則需按《Ethernet-APL工程規(guī)范》附錄10.2的相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

4.2 APL主干線帶電源

APL主干線帶電源的最佳實(shí)踐規(guī)劃具有以下特點(diǎn): 現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)無需輔助電源,通過電源主干線提供電源。APL主干線的最大允許長(zhǎng)度取決于APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的定位以及連接到APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的APL現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)量和功耗,主干線電纜的橫截面積是長(zhǎng)度計(jì)算的一部分。

APL主干線上的數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mibit/s,需要觀察網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載。應(yīng)遵守等電位連接,尤其是對(duì)于長(zhǎng)主干線段。

4.3 APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)直接連接

APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)交換機(jī)直接連接的最佳實(shí)踐規(guī)劃具有以下特點(diǎn): 未使用APL主干線,應(yīng)為現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)供電提供所需的現(xiàn)場(chǎng)輔助電源,由于APL現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)以100 Mibit/s的傳輸速率直接連接到工業(yè)以太網(wǎng),因此數(shù)據(jù)速率并不重要;如果工業(yè)以太網(wǎng)使用光纖電纜,則等電位連接不重要。

5 結(jié)束語

對(duì)《Ethernet-APL工程規(guī)范》中的最佳實(shí)踐規(guī)劃示例深入了解,一方面可在設(shè)計(jì)Ethernet-APL工程時(shí)借用最佳實(shí)踐規(guī)范示例做好主要部件安裝位置確認(rèn)、配置管線,另一方面還可根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn),如相對(duì)可分割的工序數(shù)量、測(cè)點(diǎn)數(shù)量及分散程度等確定待選的最佳實(shí)踐規(guī)劃示例,然后進(jìn)一步確定Ethernet-APL工程的拓?fù)浞桨?、主要部?如電源交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī))的選型和數(shù)量等。因此,設(shè)計(jì)人員在工程實(shí)施過程中,有必要認(rèn)真學(xué)習(xí)《Ethernet-APL工程規(guī)范》中的最佳實(shí)踐規(guī)劃示例等相關(guān)內(nèi)容。