本文將考察當前流程工業現場設備、數據內容、傳輸要求等。在此基礎上，本文提出流程工業現場數據傳輸網構想，為建設新一代流程工業現場數據傳輸高速公路提供選項。
第1類設備：模擬類儀表和模擬數字混合儀表
模擬數據是指用連續變化的物理量所表達的信息，如溫度、濕度、壓力、長度、電流、電壓等等。模擬信號在一定的時間范圍內可以有無限多個不同的取值。
在數字電路發明之前，生產流程狀態參量都是以模擬信號形式傳送的。生產流程參量在現場儀表中轉換為電壓或者電流模擬信號，通過電纜送到控制系統。當前模擬信號基本上以4-20mA和開關量為主。4-20mA電流信號在1970年代就被IEC確定為標準，至今仍然是現場儀表信號傳輸的主流方式。
第1類設備的模擬數據(下稱1a類數據)用于生產控制，對數據傳輸的要求是高可靠性和確定性時延。可靠性是指數據要可靠地從現場儀表傳輸都位于控制室的控制器以及上位機，一般采取冗余設備和數據傳輸路徑來保證。確定性時延是指現場數據要在確定的時間內傳輸到控制器，或者相反。根據工藝控制對象不同，這個要求一般在1ms到1000ms之間不等。
一個典型的大型石化綜合裝置，1a類數據數量大約在10萬~20萬之間。中小型石化和化工裝置，1a類數據數量大約在1千~10萬之間。
第1類設備的數據包括疊加在模擬信號之上的管理配置數字類數據(下稱1b類數據)。這一類數據以HART協議數據為當前主流。
HART協議是美國ROSEMOUNT公司(現屬于EMERSON)于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。HART協議提供低帶寬和適度響應時間的通信，目前在流程工業現場信號傳輸上得到廣泛應用。
HART協議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數字信號進行雙向數字通訊，數據傳輸率為1.2kbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。
1b類數據主要用于儀表的配置和管理。這類數據對傳輸的可靠性和時間確定性要求比1a類數據低。事實上，HART數據以其傳輸速度低聞名，但是由于HART技術實現了初步的數字化，這個缺點沒有阻礙其得到廣泛應用。
1b類數據內容要比1a類數據豐富很多。在一臺第1類設備中，1a類數據一般僅是一個浮點數，1b類數據可能有上百個不同類型的數據。
第2類設備：現場總線儀表
現場總線技術是一種應用于工業自動化領域的通信技術，它允許在生產現場的智能儀表和自動化控制系統之間進行數字信號的雙向傳輸。這種技術通過使用總線架構，使得多個設備能夠共享同一通信介質，從而實現信息的交換和控制任務的協調。現場總線技術具有節省線纜、簡化系統設計、安裝和維護等優點。
不同的廠商開發了許多類型的現場總線技術，僅IEC61158規定了20種現場總線標準。在流程工業，應用較多的有FF總線技術和PROFIBUS DP/PA技術。
現場總線傳輸內容包括1a類流程參量和1b類管理配置數據，其數據傳輸要求也與上述要求相同。與第1類設備不同的是，現場總線設備將這兩類數據都通過數字形式在總線上傳輸，能夠傳輸更多的流程參數和管理配置類數據。
由于產品設計和應用等原因，現場總線技術一直沒有得到市場普遍接受。一般認為，流程工業中現場總線儀表占總儀表數量的10%~15%之間。
第3類設備：RS485類儀表
由于RS485具有更高的帶寬，可以傳輸更多的數據。基于RS-485的MODBUS RTU協議簡單易用，標準公開，逐漸成為現場復雜儀表的數據傳輸協議。
比較典型的RS485儀表有電動執行機構、儲罐計量儀表、裝車批量控制器、現場PLC控制器等。
有些儀表支持第1類模擬數據傳輸，但是也保留了RS485接口，用于管理和配置類數據通信。
支持RS485技術的儀表約占現場儀表設備的15%~20%之間。
RS485/MODBUS RTU的缺點是組網困難、數據無語義等。這導致了RS-485只能用于近距離小型網絡或者診斷數據接口。
第4類設備：工業以太網設備
工業以太網是基于以太網技術的一種專用網絡，用于工業自動化和控制系統中的數據通信和傳輸。與傳統以太網相比，工業以太網具有更高的可靠性、實時性和安全性。它通過標準化的通信協議和硬件接口，實現設備之間的互聯和信息交換。
目前在流程工業現場應用較為廣泛的工業以太網協議有下面幾種：
1、MODBUS TCP
MODBUS TCP是一種基于TCP/IP協議的通信協議，它是MODBUS協議的擴展，允許通過以太網進行數據交換。MODBUS TCP通過將MODBUS映射到TCP/IP協議上，使得它能夠適應標準TCP/IP網絡環境，實現更廣泛的應用。
2、Ethernet/IP
Ethernet/IP由ODVA(Open DeviceNet Vendors Association)開發，用于連接工業自動化設備。它基于以太網技術，并結合了CIP(Common Industrial Protocol)通信協議，旨在提供一種高效、可擴展和安全的網絡通信解決方案。
Ethernet/IP廣泛應用于制造業、過程控制、能源管理和其他工業自動化領域，它結合了以太網的普及性和CIP協議的強大功能，為工業自動化提供了一個高效、可靠的通信平臺。
3、PROFINET
PROFINET是由德國西門子公司主導，與PROFIBUS和PNO(PROFInet組織)合作開發的工業以太網標準。它是一個開放的以太網通信協議，專為工業自動化和過程控制領域設計，旨在實現設備和系統之間的高效、可靠和實時的數據交換。PROFINET為工業自動化和過程控制提供了一個高效、可靠和安全的通信平臺，有助于提高生產效率和靈活性。
工業以太網設備網絡接口符合IEEE802.3系列標準，一般采用RJ45或者光纖接口。這也限制了工業以太網協議在現場儀表上的應用。一般只有大型現場設備支持工業以太網接口，如大型色譜分析儀、PLC控制器、人機界面、工控計算機、變頻器等。
以上4類設備是當前流程工業主流現場儀表設備。
根據SPE/APL技術特性，考慮構建流程工業現場數據傳輸網。網絡架構如下圖所示。
SPE/APL現場交換機支持下行SPE接口。現場部署的SPE/APL儀表通過雙絞線接入現場交換機。傳統儀表通過遠程IO或者轉換器接入現場交換機；若干臺現場交換機與匯聚層交換機組成星形或者環形網。控制室內部署的控制器、上位機通過匯聚層交換機和IPoT網關接入控制網。網絡通過防火墻接入云端服務器。
本文篇幅有限，僅討論接入接入設備到APL現場交換機的數據傳輸。
第1類設備：模擬類儀表和模擬數字混合儀表
本類設備控制數據以模擬電流電壓或者開關量形式傳輸，管理配置數據以HART形式傳輸。數據傳輸量小。可以考慮采用遠程IO，在現場將模擬信號轉換為數字信號，與HART數據匯總后通過APL分支通路上行接入APL現場交換機。
第2類設備：現場總線儀表
現場總線儀表已經實現了傳輸信號的數字化，只是數據傳輸格式與SPE/APL的以太網信號不同。第一種解決方式是APL交換機在接入側將現場總線信號轉換為以太網信號。P+F開發的一款APL現場交換機就支持PROFIBUS PA儀表的接入；第二種方式現場總線/APL轉換器將現場總線信號轉換為以太網信號，接入APL現場交換機。
第3類設備：RS-485類儀表
有兩種形式。第一種輸出模擬信號，同時支持RS485接口。第二種儀表只支持RS485接口。第3類儀表一般采用MODBUS RTU協議。使用RS-485/APL轉換器，將MODBUS RTU數據轉換為MODBUS TCP協議數據。設備接入APL現場交換機。
下圖是儲罐計量儀表系統圖。儲罐儀表輸出RS485信號，組網后接入自動巡檢儀，轉換為標準以太網信號后，接入上位機。
采用新型現場數據傳輸網改造上述系統。使用RS485/APL轉換器，將RS485數據轉換為APL以太網數據。儲罐計量數據通過現場數據傳輸網接入自動巡檢儀和上位機。
新方案的優點有：
1、現場數據傳輸網速度比RS485總線高；
2、現場數據傳輸網可以配置成冗余路徑，數據傳輸可靠性更高；
3、現場數據傳輸網是公用現場數據傳輸基礎設施，而非RS485專用總線，網絡配置靈活性提高，數據傳輸成本降低。
第4類設備：工業以太網設備
第4類設備已經是工業以太網設備，只需將網線和RJ45接口轉換為APL單對線介質即可。其余與第3類設備相同。
第0類設備：原生APL接口設備
以上討論了存量設備接入現場數據傳輸網的方式。事實上，隨著技術發展，越來越多的設備將支持APL接口，不需要各種轉換器，可以直接接入現場數據傳輸網。某大型儀表制造商的大部分現場儀表已經支持PROFINET/APL數據接口。APL設備直接入網將是未來工業數據傳輸的主要方式。
現場數據傳輸網將在流程工業現場構建工業數據傳輸高速公路。當前存量儀表設備和未來的原生SPE/APL智能設備的數據能夠高速傳輸。這些數據將有助于流程工業高效安全穩定生產，創造更高價值。
