北京康纳克斯信息科技有限公司

NIICA 应用体系及动态——工业测控标准体系

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GB/T40209-2021《制造装备集成信息模型通用建模规则》

应用侧：基于GB/T40209的仪表统一数据格式

参考IEC62541 OPC-UA，2021年5月21日发布，12月1日实施

基于GB/T40209-2021的流程仪表数据格式标准

01.仪表数据字典中公共数据服务业主，由标准组定义，尽量简约，满足业主日常应用；私有数据服务仪表厂商，由仪表厂商自定义，用于仪表诊断其维护

02.仪表接入后，系统自动识别接入仪表，并且通过位号和序列号与已组态虚拟仪表匹配，控制器/设备管理软件/外部客户端软件即可获取所需数据

AS IS：数采信号直接调制上报DCS，可旁路MCU与通信模块

仪表侧：APL仪表或ModBus-RTU over RS485转ModBus-TCP over APL

TO BE：增强MCU，直出语义数据，经通信模块上IP网络

痛点： 01.数传通道仅考虑实时控制需求，一次信号和数据无上送通道 02.仪表诊断维护须借助手操器或二次表本地进行，无法脱离危险艰苦现场 03.故障后，去现场定位成本过高（60~70%上门成本根本没必要）

应对：仪表IP化，MCU + 实时OS + 轻量化IP，可直接上送带标识、量纲、时标的语义数据实时控制数据与非实时工况数据分离，工况数据可全量上送用于诊断维护支持远程纳管、远程配置、远程诊断、远程维护，降低仪表厂商服务成本

2023-2024行业调研行动获悉，仪表和DCS厂商认为RS485转APL通信模块更适用于传统仪表快速接入APL网络： •90%的复杂仪表支持ModBus-RTU over RS485，经外置模块转换为Modbus-TCP over APL，无需对现有仪表进行改造。

AS IS：传统4~20mA两线制仪表布线方案

TO BE：基于APL交换机的组网方案

网络侧：传统布线改APL组网，成本低，施工快，易运维，高可靠

方案优势：成本低、施工快、易运维、高可靠

APL=802.3cg(10BaseT1L) + PoDL + IEC60079-47，兼具高速数传与本安供电能力

1.成本下降：1:1无汇聚铜缆变为N:1汇聚的光缆。按照某新建乙烯反应装置模型测算，7988个仪表信号点，单点平均成本5129元->3020元，下降41%，系统规模越大，布线降本越多 2.施工加速：APL是标准化模块化设备，集成设计安装周期从3个月缩短到1个月，人力成本下降50%+ 3.可靠性提升：当前仪表到FAR系统柜之间都是单链路，无保护；目标架构支持双发选收零丢包，可靠性下沉到APL交换机 4.使能远程诊断：基于宽带、大数据支持预测性维护，使能故障远程诊断、软故障远程排除、远程升级、功能重构，降低仪表运维成本50%+ 以下为目前国内厂商推出的APL交换机产品：

鼎实

中控

华为

① 自动分配IP地址

② 位号与IP地址对应

③ 仪表安全可信接入

④ 极简包头提升数传效率

网络侧：IPoT协议确保IP仪表易用性，降低仪控专业接纳门槛

仪表首次接入时，由IPoT服务器为基于位号和IP地址的对应关心，为仪表分配网络地址

• 位号: 流程行业工程项目中DCS识别仪表节点的标识

• IP地址: 是网络通信过程中识别仪表终端的唯一标识

工控系统（如DCS）依据位号标定仪表在流程装置组态中的位置和功能。通过数据网络进行过程数据读取以及控制指令下发需要获取IP地址。 • 显式查询：DCS向IPoT服务器发送查询地址请求，获取地址后通过TCP/IP Socket发起通信 • 协议栈代理查询：DCS调用协议栈位号接口，协议栈代理执行地址查询

IP化仪表新增两类新增网络安全需求：验证通信对象的身份真实性，保护数据完整性以防范注入攻击

• MAC参与秘钥派生：实现免证书防伪

• ICV机制：利用派生秘钥联合验证Payload，实现数据完整校验

• 灵活字段验证：按需调整计算和安全性Tradeoff，支持轻量级IoT数据安全

IPoT为了降低包头对带宽的占用，采用了极简报头封装，需要在网关上转换成传统IPv4、v6包头

• 复用校验和：上层协议需要使用IP地址计算校验和，通过地址映射算法设计可以实现校验和无需重算直接复用

• IP地址转换：通过计算方式补齐地址前缀，免除查表开销，轻松十万级节点协议转换

3大挑战

关键技术方案

网络侧：全冗余网络双发选收零丢包，确定性转发端到端低时延零抖动

01 高可靠

02 时延保证

03 安全控制

• 双归接入保护，抗单节点/单链路故障， <50ms网络倒换（当IPoT网关支持Eth-Trunk） • Eth-Trunk链路保护，抗单链路故障，<50ms级链路倒换环网保护，抗单节点/单链路故障，<50ms网络倒换

• 切片隔离，Mbps级带宽隔离保障，仪表业务时延性能免受其它流量冲击 • 现场交换机万兆上行，切片内仪表业务快速转发不拥塞

• ACL访问控制，接入2k+、汇聚6k+访问控制策略，精准控制设备准入

• VLAN隔离，4k逻辑网络平面，不同网络平面二层转发隔离

应用动态

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基于 802.3cg 10BASE-T1L 的 APL，已在BASF湛江项目中规模商用

复用现有线缆，10Mbps@1000m，本安供电+数传合一

巴斯夫湛江APL现场交换机实装图，共接入75443点仪表

01.现场供电，而非由APL Power Switch远程供电

02.光纤上行，而非APL Trunk铜线上行

03.星型组网，单归直联汇聚交换机，而非多台Filed Switch环型组网

04.经配线架/防雷端子接仪表，而非直联仪表

05.部署在防爆柜内，而非直接部署在现场

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