Технология Ethernet-APL в Индустрии 4.0

Введение

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) - одна из важнейших коммуникационных технологий, способствующих цифровой трансформации систем автоматизации технологических процессов.

Традиционные технологии промышленных полевых шин, такие как:

• HART
• PROFIBUS PA
• Foundation Fieldbus

изначально были разработаны для промышленных сред связи с низкой пропускной способностью. Хотя эти технологии обеспечивали надежную связь с технологическими процессами в течение многих лет, они все чаще не могут удовлетворить требования к данным, предъявляемые современными архитектурами Industry 4.0.

Истинная ценность технологии Ethernet-APL заключается в том, что она обеспечивает высокоскоростную промышленную связь Ethernet:

• Доступ к промышленным данным в режиме реального времени
• Полевая связь с высокой пропускной способностью
• Интеллектуальная интеграция устройств
• Расширенная диагностика
• Пограничные вычисления
• Облачное подключение
• Безопасная связь между датчиками и контроллерами

Современные промышленные приборы больше не ограничиваются передачей простых переменных процесса. Ethernet-APL превращает полевые устройства в интеллектуальные промышленные узлы данных, способные поддерживать передовые цифровые системы автоматизации.

Ethernet-APL - один из кусочков головоломки для такой конвергентной сети, поддерживающий различные протоколы реального времени, такие как PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, а также промежуточный протокол OPC UA.

1. История и развитие технологии Ethernet-APL

Разработка технологии Ethernet-APL была обусловлена растущей необходимостью внедрения промышленного Ethernet непосредственно в опасные среды автоматизации технологических процессов.

Традиционные технологии Ethernet имели ряд ограничений в обрабатывающей промышленности, поскольку стандартная инфраструктура Ethernet не была рассчитана на их применение:

• Большие расстояния между кабелями
• Искробезопасные среды
• Двухпроводные полевые приборы
• Суровые производственные условия

По мере развития архитектур Индустрии 4.0 системам промышленной автоматизации потребовалось значительно больше данных от полевых устройств, чем могли предоставить традиционные системы полевых шин.

Для решения этих проблем в 2018 году был создан “Проект APL”.

Соглашение о разработке технологии Ethernet-APL в рамках проекта “The APL Project” было заключено в 2018 году и поддержано ведущими отраслевыми организациями по разработке стандартов (SDO):

• FieldComm Group
• ODVA
• Фонд OPC
• PROFIBUS & PROFINET International

Проект также поддержали крупнейшие компании, занимающиеся промышленной автоматизацией, в том числе:

• ABB
• Эмерсон
• Endress+Hauser
• Krohne
• Пепперль+Фукс
• Феникс Контакт
• R. Stahl
• Rockwell Automation
• Самсон
• Siemens
• ВЕГА
• Yokogawa

Ethernet-APL был специально разработан для внедрения возможностей Ethernet в полевые приборы для технологических процессов при сохранении их функциональности:

• Искробезопасность
• Междугородняя связь
• Двухпроводное управление
• Интеграция электропитания и связи

Сегодня Ethernet-APL становится одной из ключевых технологий, обеспечивающих автоматизацию цифровых процессов.

2. Основной технический принцип Ethernet-APL

Ethernet-APL основан на технологии Single Pair Ethernet (SPE), оптимизированной для сред автоматизации технологических процессов.

Технология позволяет:

• Доставка электроэнергии
• Ethernet-связь
• Передача на большие расстояния

через один двухжильный кабель.

В отличие от традиционных архитектур Ethernet, требующих использования нескольких пар проводов и относительно небольшого расстояния между кабелями, Ethernet-APL оптимизирован для:

• Длинные промышленные кабельные трассы
• Опасные зоны
• Искробезопасные установки
• Полевые приборы

Скорость передачи данных Ethernet-APL составляет:

$10Мбит/с$

Такая скорость передачи данных представляет собой значительный технологический скачок по сравнению с традиционными технологиями полевых шин.

3. Почему Ethernet-APL - это серьезная технологическая модернизация

Традиционные системы полевых шин для технологических процессов были разработаны в основном для передачи основных переменных процесса, таких как:

• Давление
• Температура
• Уровень
• Поток

Однако современные системы Industry 4.0 все чаще требуют:

• Диагностика высокого разрешения
• Мониторинг состояния устройства
• Данные о прогнозируемом техническом обслуживании
• Расширенная аналитика
• Удаленная конфигурация
• Мониторинг активов в режиме реального времени

Традиционные технологии низкоскоростных полевых шин с трудом справляются с этими современными требованиями.

4. Ethernet-APL в сравнении с PROFIBUS PA и HART

По словам Тони Мерталы в:

ETHERNET APL -TEKNIIKAN KÄYTTÖÖNOTTO 800XA-JÄRJESTELMÄSSÄ JA PA-LAITTEIDEN INTEGROIMINEN-THESEUS

Ethernet APL:n tiedonsiirtonopeuden ollessa 10 mbit/s on se yli 300 kertaa nopeampi kuin Profibus PA:n ja HART:n tiedonsiirto.

С точки зрения автоматизации процессов это большой технологический прорыв.

Традиционные системы HART и PROFIBUS PA никогда не были рассчитаны на непрерывную передачу больших объемов диагностических и эксплуатационных данных.

Значительно более высокая пропускная способность Ethernet-APL позволяет полевым устройствам передавать данные:

• Расширенная диагностика
• Информация о состоянии устройства
• Аналитика процессов
• Данные волновой формы
• Информация о прогнозируемом техническом обслуживании
• Высокочастотные обновления измерений

в режиме реального времени.

Далее в тезисах говорится:

“Ethernet APL:n nopean tiedonsiirron ansiosta kenttälaitteilta saadaan entistä enemmän tietoa, jota voidaan hyödyntää”.”

Это отражает одно из основных преимуществ технологии Ethernet-APL:

Полевые приборы больше не ограничиваются простой передачей измерений. Приборы становятся интеллектуальными источниками промышленной информации.

В статье также говорится:

“Prosessiteollisuudessa tällä hetkellä käytettävät Profibus PA -kenttälaitteet eivät mahdollista tämän lisätiedon hyödyntämistä”.”

Это подчеркивает основное ограничение традиционных систем полевых шин в условиях Индустрии 4.0.

В заключение диссертации приводятся выводы:

“Tämän takia Ethernet APL -teknologia tuleekin varmasti korvaamaan Profibus PA -kenttäväylän ja muut vanhemmat väylätekniikat tulevaisuudessa”.”

С точки зрения развития технологии, Ethernet-APL представляет собой переход от:

• Традиционная полевая связь
• Приборы с низкой пропускной способностью
• Изолированные технологические сети

в сторону:

• Унифицированные архитектуры Ethernet
• Интеллектуальные цифровые установки
• Экосистемы промышленных данных в реальном времени

5. Поддержка промышленных протоколов в режиме реального времени

Одним из важнейших достоинств Ethernet-APL является возможность конвергенции протоколов.

Ethernet-APL поддерживает одновременно несколько промышленных протоколов связи, включая:

• PROFINET
• EtherNet/IP
• HART-IP
• OPC UA

Это позволяет технологическим предприятиям создавать единые инфраструктуры промышленного Ethernet, способные к интеграции:

• Полевые приборы
• Контроллеры
• Системы SCADA
• Облачные платформы
• Краевые устройства
• Системы управления активами

Поддержка OPC UA особенно важна, поскольку она позволяет:

• Стандартизированная промышленная совместимость
• Безопасный обмен данными
• Масштабируемая интеграция IIoT
• Кросс-платформенная коммуникация

6. Проблемы кибербезопасности в сетях Ethernet-APL

Поскольку Ethernet-APL напрямую соединяет полевые устройства с сетями предприятия на базе Ethernet, кибербезопасность приобретает все большее значение.

Согласно:

Ниманн, Карл-Хайнц и Саймон Мерклин. 2022.
“Требования к безопасности ОТ для полевых устройств EthernetAPL: Технологические изменения могут привести к улучшению защиты”.”
atp Magazin 63 (5).

В статье показано, что полевые устройства Ethernet-APL подвержены потенциальным атакам.

В документе говорится:

“Плоская структура сети обеспечивает злоумышленникам относительно легкий доступ к устройствам, поскольку они напрямую подключены к сети предприятия”.”

В отличие от изолированных традиционных систем полевых шин, устройства Ethernet-APL работают внутри высокосвязанных промышленных Ethernet-инфраструктур.

Это значительно повышает важность:

• Сегментация сети
• Аутентификация
• Шифрование
• Защита целостности устройства
• Безопасные протоколы связи

Требования к безопасной связи

Далее в статье поясняется:

“Поэтому для устройств Ethernet-APL потребуются защищенные коммуникации”.”

и:

“Требования безопасности для компонентов автоматизации, описанные в IEC 62443-4-2, также применимы к устройствам APL”.”

Это означает, что к полевым устройствам Ethernet-APL следует относиться аналогично:

• Контроллеры
• Системы удаленного ввода/вывода
• Инфраструктура промышленных сетей

а не простые пассивные полевые приборы.

Целостность данных от датчика к контроллеру

Одним из важнейших технологических преимуществ Ethernet-APL является возможность безопасной сквозной передачи данных.

В документе говорится:

“Благодаря использованию защищенного протокола связи впервые появилась возможность защитить целостность и подлинность значений датчиков от датчика до контроллера, что в настоящее время невозможно при использовании HART или PROFIBUS PA”.”

Это является важным достижением Industry 4.0, поскольку теперь значения измерений процесса могут быть надежно проверены во всей архитектуре автоматизации.

Это становится все более важным для:

• Критические для безопасности процессы
• Фармацевтическое производство
• Химическое производство
• Энергетические системы
• Цифровые двойники

Архитектура с глубокой обороной

Документ также рекомендует:

“Для защиты территории завода от атак извне следует использовать концепцию ”глубокоэшелонированной обороны".”

Современные архитектуры Ethernet-APL все чаще требуют:

• Брандмауэры
• Защищенные шлюзы
• Сегментация виртуальных локальных сетей
• Обнаружение вторжений
• Зашифрованная связь
• Безопасная аутентификация устройств

для защиты инфраструктуры промышленной автоматизации.

Интеграция аппаратных средств защиты

В документе также рекомендуется, чтобы производители:

“Зарезервировать достаточное количество ресурсов в своих устройствах (память, вычислительная мощность, возможно, защищенный элемент, такой как модуль Trusted Platform Module или аналогичный)”.”

Это отражает серьезную технологическую эволюцию в области промышленного приборостроения.

Ожидается, что в будущем полевые устройства будут все больше интегрироваться:

• Аппаратные модули безопасности
• Модули доверенной платформы (TPM)
• Архитектуры безопасной загрузки
• Встраиваемые криптографические процессоры

непосредственно внутри промышленных приборов.

7. Как Ethernet-APL улучшает функции прибора

Ethernet-APL Технология кардинально меняет возможности промышленных полевых устройств.

Высокоскоростная связь обеспечивает расширенную диагностику

Увеличенная пропускная способность позволяет полевым устройствам обеспечивать:

• Диагностика в режиме реального времени
• Мониторинг состояния устройства
• Расширенный анализ формы волны
• Данные о прогнозируемом техническом обслуживании
• Подробная операционная аналитика

Это значительно улучшает видимость предприятия и оперативную информацию.

Унифицированная архитектура Ethernet упрощает интеграцию

Ethernet-APL позволяет интегрировать полевые устройства непосредственно в промышленные системы на базе Ethernet.

Это упрощает задачу:

• Архитектура растительной сети
• Интеграция данных
• Удаленный доступ
• Облачное подключение
• Связь со SCADA

Данные в режиме реального времени улучшают возможности автоматизации

Высокоскоростная связь в полевых условиях улучшается:

• Оперативность процесса
• Точность автоматизации
• Оптимизация в реальном времени
• Усовершенствованный контроль процесса

Это позволяет создавать более интеллектуальные системы промышленной автоматизации.

8. Индустрия 4.0 Эволюция Ethernet-APL

Ethernet-APL - одна из основополагающих технологий, позволяющих реализовать архитектуру автоматизации процессов Industry 4.0.

Современные системы Ethernet-APL все чаще поддерживают:

• Облачное подключение
• Пограничные вычисления
• Аналитика на основе искусственного интеллекта
• Предиктивное обслуживание
• Цифровые двойники
• Удаленный мониторинг завода
• Интеллектуальное управление активами

Полевые приборы превращаются из изолированных измерительных устройств в интеллектуальные узлы промышленных сетей.

Интеграция с облаком и границами

Ethernet-APL обеспечивает прямую интеграцию между:

• Полевые устройства
• Пограничные вычислительные платформы
• Облачные аналитические системы
• Промышленные приложения ИИ

Это значительно повышает доступность промышленных данных.

Интеграция цифрового двойника

Современные системы цифровых двойников все чаще требуют:

• Данные об устройстве в режиме реального времени
• Непрерывная диагностика
• Высокочастотные обновления процессов

Ethernet-APL обеспечивает пропускную способность и функциональную совместимость, необходимые для поддержки этих передовых архитектур.

9. Тенденции развития Ethernet-APL в будущем

Ожидается, что в будущем технологии Ethernet-APL будут развиваться в направлении:

• Более высокая степень интеграции кибербезопасности
• Диагностика сетей с помощью искусственного интеллекта
• Автономное управление устройствами
• Промышленная коммуникация на краю света
• Полностью конвергентные установки Ethernet
• Программно-определяемые промышленные сети

В будущем промышленные полевые устройства будут все чаще интегрироваться:

• Встраиваемые процессоры искусственного интеллекта
• Защищенные элементы оборудования
• Архитектуры самодиагностики
• Автономные алгоритмы оптимизации

Ожидается, что Ethernet-APL станет одной из доминирующих коммуникационных инфраструктур для систем автоматизации технологических процессов следующего поколения.

Заключение

Технология Ethernet-APL представляет собой одно из наиболее важных коммуникационных достижений в современной автоматизации процессов.

Истинная ценность Ethernet-APL заключается в том, как высокоскоростная промышленная связь Ethernet превращает полевые приборы в интеллектуальные цифровые устройства автоматизации, способные поддерживать:

• Промышленная связь в реальном времени
• Расширенная диагностика
• Безопасная передача данных от датчика к контроллеру
• Интеграция в Индустрию 4.0
• Облачное подключение
• Аналитика на основе искусственного интеллекта

По сравнению с традиционными системами полевых шин, такими как HART и PROFIBUS PA, Ethernet-APL обеспечивает значительно более высокую пропускную способность связи, позволяя создавать безопасные, масштабируемые и унифицированные архитектуры промышленного Ethernet.

По мере развития технологий Industry 4.0 ожидается, что Ethernet-APL станет одной из основных технологий связи в интеллектуальных системах автоматизации процессов.