Технология Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) — это специализированный физический уровень для промышленной автоматизации, который позволяет передавать данные и питание по одной экранированной витой паре на расстояния до 1000 метров со скоростью 10 Мбит/с. Она разработана с учётом требований взрывобезопасности, электромагнитной устойчивости и возможности работы в суровых промышленных условиях.

В новом стандарте Ethernet IEEE 802.3cg-2019 для передачи данных используется только одна пара, вот почему его часто называют однопарным Ethernet (SPE). SPE — это более дешевая, компактная и легкая альтернатива привычным 4-парным кабелям Ethernet. Он предназначен для корпоративного IoT, промышленного IoT (IIoT) и современных автомобильных кабелей. Если стандарт 802.3cg регламентирует передачу данных, то за подачу питания по витой паре однопарного Ethernet отвечает стандарт 802.3bu-2016, который также называется питанием по линии передачи данных, или PoDL (Power over Data Lines). В рамках этого стандарта предусмотрено 10 различных классов мощности, которые передают мощность от 0,566 до 65,3 Вт по паре и доставляют на конечное устройство от 0,5 до 50 Вт.

Отличие PoE от PoDL в схеме

Здесь:
PSE – power sourcing equipment (источник питания)
PD – powered device (устройство на дальнем конце, потребляющее электричество)

Классы питания PoDL

Изначально 802.3bu имел 10 классов электропитания:

Цветом выделены три условных градации напряжения источника: 12, 24 и 48В.

Обозначения:
V_pse — напряжение источника питания, В
V_pd min — минимальное напряжение на PD, В
I max — максимальный ток в линии, А
P_pd max — максимальная потребляемая мощность PD, Вт

С появлением 802.3cg добавилось ещё 6 классов:

При таком многообразии PSE и PD должны согласовывать класс электропитания перед подачей полного напряжения. Делается это с помощью SCCP ( Serial Communications Classification Protocol). Это низкоскоростной протокол (333 бит/с), основанный на 1-Wire. Он работает только тогда, когда в линию не подано основное питание (в т.ч. в спящем режиме).

На блок-схеме показано, как выполняется подача питания:

• подаётся ток 10мА и проверяется наличие на том конце стабилитрона на 4В
• производится согласование класса питания
• подаётся основное питание
• если потребление падает меньше 10мА – включается спящий режим (подача дежурного питания 3.3В)
• если потребление превышает 1мА – происходит выход из спящего режима

Согласование класса питания можно не делать, если он заранее известен. Такой вариант называется Fast Startup Mode. Применяется, например, в автомобилях, т.к. там нет необходимости менять конфигурацию подключенного оборудования.

Инициировать переход в спящий режим может как PSE, так и PD.

Устройства и их роль в схеме

В архитектуре Ethernet-APL выделяют несколько ключевых устройств:

• Полевые устройства: Датчики, расходомеры, исполнительные механизмы, оснащённые интерфейсом Ethernet-APL. Они получают питание и передают данные по одному двухпроводному кабелю.
• Магистральные коммутаторы (Power Feeder Switch): Подают питание и связь на магистральные порты. Обычно питаются от внешнего источника и обеспечивают передачу данных и энергии на большие дистанции (до 1 км).
• Полевые коммутаторы (Field Switch): Устанавливаются ближе к приборам, имеют как минимум один порт для подключения ответвления. Могут питаться либо через магистраль APL, либо от отдельного источника питания.
• Сегменты сети:
• Магистраль: обеспечивает высокую мощность и дальность связи (до 1000 м), предназначена для соединения основных узлов системы.
• Ответвление: сегмент меньшей мощности и длины (до 200 м), используется для подключения конечных полевых приборов во взрывоопасных зонах.

Типовые схемы включения

Архитектура строится по принципу «точка-точка»: каждое соединение между устройствами формирует отдельный сегмент. Коммутаторы изолируют сегменты друг от друга, что защищает сеть от помех и сбоев отдельных устройств. В качестве кабеля применяется стандартная промышленная витая пара типа А (Type-A Fieldbus), широко используемая ранее для других шин, что упрощает модернизацию объектов.

Таким образом, схема Ethernet-APL представляет собой управляемую коммутируемую сеть с двумя типами сегментов (магистраль и ответвление), где каждый узел получает питание и обменивается данными по единой линии, обеспечивая надёжное подключение даже в опасных промышленных зонах.

Для монтажа используются привычные промышленные разъёмы (винтовые клеммы, пружинные зажимы, M8/M12). Устройства поддерживают автоматическую конфигурацию и прозрачную IP-адресацию каждого прибора, а также совместимы с основными протоколами автоматизации (PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA).

Оценка экономической эффективности внедрения технологии Ethernet-APL сегодня

Если рассматривать только стоимость оборудования, то сегодня Ethernet-APL почти всегда проигрывает традиционным технологиям. Однако если считать полную стоимость владения (TCO) на протяжении 15–25 лет, картина становится значительно интереснее. Именно этим объясняется интерес крупных нефтегазовых и химических компаний к APL.

Ниже — сравнение.

С точки зрения CAPEX (первоначальных инвестиций) технологии можно условно расположить так:

4–20 мА/HART < PROFIBUS PA ≈ FOUNDATION Fieldbus < Ethernet-APL

С точки зрения совокупной стоимости владения (TCO) на горизонте 15–25 лет при строительстве нового цифрового предприятия картина меняется:

Ethernet-APL ≤ PROFIBUS PA < FOUNDATION Fieldbus < 4–20 мА/HART

Именно поэтому крупнейшие поставщики систем автоматизации рассматривают Ethernet-APL не как замену существующим сетям на действующих объектах, а как целевую архитектуру для новых предприятий. Экономический эффект достигается не за счет более дешевых коммутаторов или кабелей, а благодаря унификации сетевой инфраструктуры, сокращению числа промежуточных компонентов, расширенной диагностике и снижению затрат на эксплуатацию в течение всего жизненного цикла объекта.

Оборудование Ethernet-APL от DIGICOM

На сегодняшний день в номенклатуре DIGICOM имеются магистральные коммутаторы Ethernet-APL серий MORION2000T-APL и MORION2200TP-APL-TSN, отвечающие всем требованиям для развертывания типовых схем включения.

Подробнее о коммутаторах Ethernet-APL от DIGICOM в обзоре »