HART-IP在保留原本HART应用层的基础上，将HART总线型阀门定位器通信速率提高了三个数量级，大大减少了停机上传数据时间。
PROFINET over Ethernet-APL解决了传统现场总线物理层传输限制问题，遵循PA Profile 4规范，并通过S2系统冗余保证通信高可用性，NE107标准化诊断映射保证阀门定位器实时状态。
Profibus PA Proxy通过透明协议转换的方式，使Profibus PA阀门定位器能直接接入APL网络，对现有工厂升级APL网络十分便利，但其转换延时问题对于高响应现场有一定的风险。
实际选用不同协议的阀门定位器时，需要结合回路重要性、现场设备运行情况以及控制系统架构选择具体方案。
本文即将刊登于PROCESS《流程工业》2027年第1期，原文标题《APL
在智能阀门定位器中的协议适配与迁移》。本文作者王寻 蒋浩 刘小强 范耀峰 陈朋，供职于重庆川仪自动化股份有限公司技术中心。
在流程工业现场中，智能阀门定位器是覆盖全工艺管线、部署密度极高的核心现场智能执行节点。以中等规模原料厂为例，全厂区从反应装置、精馏单元到物料输送管网，配套智能阀门定位器的控制阀数量可达数百台；而在石化、煤化工等大型流程工厂中，控制阀及其配套智能阀门定位器的保有量则达数千台量级。控制阀作为流程生产中的关键机构，承担介质流量、压力与液位的调节职能；定位器的通信能力与诊断能力直接影响控制阀的运维水平，进而关系到装置整体运行的可靠性。基于上述规模与作用，定位器通信升级的选择，将在很大程度上决定工厂数字化转型能否顺利推进。
传统两线制现场总线体系在长期工程实践中受到两大基础性条件约束。其一，通信带宽受限，无论是4-20mA叠加HART协议，还是PROFIBUS PA、Foundation Fieldbus（FF）总线，其有效数据吞吐能力都相对有限，阀门诊断曲线、PST测试、全行程趋势等大体积诊断数据难以实现在线实时采集；多数场景下需将设备切换至离线状态，或是切换回路至手动模式后才能完成数据读取，显著提升了诊断状态的复杂程度与停机代价。
其二，现场供电受限，传统本安回路输出功率有限，直接制约了现场仪表的运算资源，复杂诊断算法与高级故障分析功能难以在现场仪表中部署。过去数年间，国内大量流程装置虽已广泛部署基于HART、PROFIBUS PA、Foundation Fieldbus（FF）协议的智能阀门定位器，实现了基础的阀位控制与简单报警功能，但深度预测性维护始终未能在工程层面大规模落地。究其根源，物理层带宽与供电能力的双重约束构成根本性瓶颈，限制了诊断智能化在设备底层的发展空间。
Ethernet-APL属于物理层协议，其实质是在IEEE 802.3cg-2019所定义的10BASE-T1L的物理层基础上，补充面向流程工业防爆场景的本安约束与工程规范，从而在物理层面同时缓解传统两线制现场通信长期面临的带宽不足与供电能力有限两大约束。IEEE Std 802.3cg-2019于2019年11月正式发布，定义了10BASE-T1L物理层：依托单对双绞线即可实现10Mbit/s全双工通信，最远传输距离达1000m。Ethernet-APL在该物理层之上，进一步形成了面向流程工业本安应用的系列规范。其中，IEC TS 63444明确了APL端口行规（Port Profile），对本安配置下的电压、电流、功率及线缆参数等作出约束，从而显著降低不同厂商设备间互连评估的复杂度。
在物理层标准趋于成熟的前提下，定位器向APL体系迁移的核心问题已转向应用层选型：选用哪套上层协议、承担何种代价，方能实现现有设备的平稳迁移。从产业现状看，部分国外厂商已完成原型产品开发、PI认证及部分项目试点；国内流程工业正推进智能制造升级，新建石化、化工、医药等装置对Ethernet-APL的接受度持续提升，同时存量工厂仍保有规模可观的HART、PROFIBUS PA总线型智能阀门定位器。本文将围绕HART-IP、PROFINET over Ethernet-APL与PROFIBUS PA Proxy三条技术路线，从协议栈实现深度、诊断数据通路、改造投入产出三个维度展开比较，并结合国产定位器研发进展，讨论国内工程应用面临的机遇与挑战。
HART-IP在设计上充分考虑了存量设备的兼容需求，完整保留HART原有的命令集、数据结构与设备描述（DD），仅将底层传输由Bell 202频移键控（FSK）叠加信号替换为TCP/IP封装。HART-IP自2012年纳入HART规范以来，在HART应用层不改变的基础上，引入了TCP/UDP、DNS/mDNS、发布/订阅及TLS/DTLS等以太网原生能力。对阀门定位器而言，读取阀门所涉及到的命令、诊断参数编码规则以及资产管理系统内部已建成的设备模板，均无需实质性改动。这一特性对国内已部署HART设备管理软件的工厂构成明显的优势，即可延续多年积累的设备库、组态脚本与运维经验，迁移的成本与改造工作量相应降低。
HART-IP的带宽释放性能显著提升。FieldComm Group数据显示，同一份1MB文件经HART-IP over Ethernet-APL传输仅需约1秒，而采用传统4~20mA HART模式则需耗时约2小时左右，两者相差近三个数量级。在过去若需要获取完整的阀门实时数据，往往需要停运工艺回路或切换手动模式；在HART-IP over Ethernet-APL架构下，该数据可在数秒内完成在线获取，从而在故障演化为非计划停机之前实现隐患的提前识别。工程实践中，阀门卡涩、执行机构摩擦力增大、供气回路缓慢泄漏等故障均呈渐进劣化特征；若能周期性在线获取阀门行程-压力特征曲线，即可为预测性维护提供数据基础，避免失效后维修的被动模式。传统HART受限于带宽，此类高级诊断大多停留在理论层面，难以常态化应用。传统HART与HART-IP对比如下表所示：
表1 传统HART与HART-IP对比表
对比维度 |
传统HART |
HART-IP |
通信协议栈 |
HART 协议 |
基于标准TCP/IP协议栈 |
实时性 |
轮询周期≥1s |
数据刷新周期≤100ms |
运维能力 |
HART手操器、上位机调试 |
支持远程Web/APP在线运维 |
HART-IP与PROFINET在物理层传输延迟上差异不大，但二者应用层交互机制不同——HART-IP主要采用一问一答的事务处理模式，每次参数读取均需由客户端发起请求-设备回复响应的完整报文往返，在周期性实时数据交互场景下，其效率低于PROFINET的实时通道。当同一网段内数十台定位器需同时周期性更新设定值时，请求-响应机制将引入控制周期抖动。因此，HART-IP over Ethernet-APL更适用于诊断数据采集与设备资产管理，不宜替代PROFINET承担高速实时控制任务。工程规划中，问答式通信在控制器支持并发周期调度的前提下，可适配20ms以上的快速调节回路；但HART-IP定位器无原生硬实时调度优化，直接部署于这类回路易引发控制周期抖动，影响工艺控制品质。
此外，HART数据模型对复杂诊断场景表达力有限：面对多维趋势数据（如实时阀位曲线），DD灵活性不及PA Profile4标准化诊断模型；且厂商高级诊断参数自定义程度高，同类报警的命令编号与参数格式不统一，上层系统仍需要按照型号进行适配性开发。因此，HART-IP更宜定位为存量HART设备的过渡升级方案，而非面向未来的原生控制方案。
从国内工程实施角度看，HART-IP over Ethernet-APL有两条可选路径：其一，全新开发原生HART-IP APL定位器；其二，采用APL-HART适配器，对现有4~20mA+HART定位器进行改造升级。适配器方案无需更换阀门本体，硬件改动量小，更契合改造项目的约束条件。但该方案存在固有局限：原有定位器的算力并未提升，高级诊断能力仍取决于老设备自身的水平，适配器仅仅解决的是通信传输的问题，无法增强定位器内部的诊断算法能力。
2 PROFINET over Ethernet-APL
PROFINET over Ethernet-APL不是简单地将PROFINET协议直接运行于APL硬件之上，而需在PA Profile 4框架约束下完成实现。PA Profile 4参照NAMUR NE107的思路，对现场仪表的诊断信息进行统一梳理，覆盖诊断分类、诊断消息两大模块。NE107将设备状态划分为四大类：故障（Failure）、功能检查（Function Check）、超出规格（Out of Specification）与需要维护（Maintenance Required）。因此，不同厂商生产的定位器在控制系统中呈现的诊断含义趋于统一，工程师无需针对每台设备单独编写设备描述解析逻辑。对大型工厂而言，现场仪表品牌型号繁杂，标准化诊断使DCS报警页面与设备管理系统能够形成统一报警视图，从而提高后期运维效率，降低运维人员学习成本。
APL阀门定位器核心技术层级示意图如图1所示，SAMSON TROVIS 3797是目前已获得PI官方认证的原生PROFINET over Ethernet-APL定位器。该定位器经PROFINET over Ethernet-APL总线接收阀位设定值，控制驱动气动执行机构，通信速率为10Mbit/s，遵循PA Profile 4，支持Ex ia IIC T4/T6 Gb本安防爆，并可运行OPC UA开放式通信。设备内置的 EXPERTplus 诊断模块重点监测供气压力、气动回路密封性及控制行为偏差三类关键状态。PA Profile 4 采用位映射编码形式，将每一条诊断消息与 NE107 四类状态一一绑定；该型号定位器的内置标准化诊断包含：供气压力超出规格、摩擦力变化、气动单元错误等具体警告。
图1 APL定位器核心技术层级示意图
S2 系统冗余是 PROFINET over APL 的一项关键工程特性。Endress+Hauser 曾搭建包含近 240 台现场设备（含 SAMSON 定位器）的环形网络，对 S2 冗余功能进行验证，测试基于艾默生 DeltaV DCS，并搭配 PROFINET S2 冗余与 AMS 设备管理系统。测试表明，网络负载、冗余切换时间等关键指标均满足或优于标准要求。就阀门定位器场景而言，S2 冗余的核心价值在于：即使控制系统一侧通信通道发生故障，定位器仍可维持本地 PID 运算，仅切换设定值更新链路，控制回路不会因网络故障而直接中断。对于石化装置的关键调节回路，通信链路冗余可避免网络单点故障直接诱发工艺扰动，具有较高的工程应用价值。
该方案亦存在落地实施前提：定位器产品需通过PI 认证，DCS 系统需能解析 PA Profile 4 对应的设备描述文件，工程人员还需熟悉 PROFINET 网络规划、GSDML 文件管理与 S2 冗余拓扑设计。2026 年，中控技术与 ABB 完成互操作认证，覆盖仪表下载组态、GSDML 解析、实时通信、S2 冗余及 NE107 报警等项，表明国产控制系统已具备工程化应用条件。但过去一段时期，通过 PI 认证的原生 APL 定位器多为海外厂商产品，国内原生 APL 定位器供给相对匮乏；设备生态的丰富程度成为制约该方案规模化推广的主要因素。
国内自动化装备企业已认识到Ethernet-APL对流程工业执行层设备的价值，普遍启动原生APL定位器研发布局。某头部国内仪表企业已完成多款Ethernet-APL变送器的技术开发与原型验证，旗下智能压力、温度变送器已实现Ethernet-APL接口样机开发，积累了物理层驱动、本安适配、协议栈移植等工程经验。依托已在国内石化、煤化工、医药项目大规模应用的成熟智能定位器硬件平台，该企业正开展Ethernet-APL原生定位器攻关，目前在压电阀驱动、多腔隔爆结构、本地PID控制、基础诊断等方向已有技术沉淀，研发重点覆盖10BASE-T1L硬件设计、本安功率匹配、PROFINET协议栈移植、PA Profile 4诊断适配及PI认证预验证等环节。
APL阀门定位器研发并非简单加装通信接口硬件，需突破四类工程挑战，如图2所示：一是本安防爆适配，需严格匹配GB/Z 3836.37-2025《爆炸性环境 第37部分：由二线本质安全以太网概念（2-WISE）保护的设备》 规范要求，该标准作为Ethernet-APL场景下国内专属的本安防爆指导性文件，通过定义APL端口的通用本质安全参数限值，简化了APL段内元件和布线的本安参数校验流程，适配Ethernet-APL不同功率等级的电压、电流参数约束，在保障10 Mbit/s通信性能不受损的前提下，同时满足GB/T 3836系列Ex本安体系中GB/T 3836.1、GB/T 3836.4、GB 3836.15、GB/T 3836.18的配套防爆要求；
二是PA Profile 4诊断落地，需将阀门摩擦、泄漏、供气异常等故障按NE107规范完成标准化编码映射；
三是PI互操作认证，协议栈实现与GSDML文件编写需严格遵循PI规范，保障与各品牌APL交换机、DCS控制器互联互通；
四是现场工况验证，需通过电磁干扰、温湿度变化等复杂环境下的可靠性测试。
国产产品成熟后，有望打破原生APL定位器进口依赖局面，降低项目采购成本，适配国内工程与运维习惯，支撑Ethernet-APL技术在国内大规模推广。
图2 国内APL定位器研发过程及挑战
除上述企业外，国内其余仪表厂商均已跟踪Ethernet-APL技术路线，已有基于HART IP, NIICA和PROFINET的阀门定位器产品，但多数仍处于预研阶段，未发布定位器类成熟样机。整体来看，国产原生APL定位器正处于从预研到样机开发的窗口期，距大规模商业化供货仍需一定周期。
PROFIBUS PA Proxy 旨在兼容存量设备：原有 PA 定位器无需修改固件或重新防爆认证即可接入 APL。其做法是在 APL 现场交换机内部集成 Proxy，完成 PROFIBUS PA 与 PROFINET 协议栈互转；与普通网关不同，Proxy 遵循 PI 标准化映射规则，除 IO 数据外还同步转换报警、诊断、拓扑与设备健康状态，对上层系统近乎透明[14]。如Softing APL Switch Field PA 可同时挂接 APL 原生设备与传统 PA 设备。DCS 侧传统profibus PA定位器表现为普通PROFINET 设备，GSDML 由 Proxy 统一生成；定位器自身工作状态与接传统 PA 耦合器无异，无需改动。
该模式对国内存量化工装置意义显著：2000年后建成的大量石化工厂采用 PA 智能定位器，设备机械气动部分尚好，整体更换将带来高昂采购与停机成本，而 Proxy 方案仅升级交换机即可将 PA 段融入 APL 架构，保护硬件资产，适合技改与大修实施。巴斯夫湛江项目即实证：现场侧保留PA 仪表、上层采用 PROFINET（ABB 800xA 配 AC800M/CI871A），与基于 PA Profile 4.02 的 APL 设备协同，现场 PA 定位器经交换机内置 Proxy 转 PROFINET 送控制器，是国内较早规模化落地 APL 的大型项目，代表了 "先升级网络、后渐进换设备" 的典型路线。
但需注意两点局限。其一为时延：每台PA 从站经 Proxy 约引入 14.5 ms ，普通调节回路尚可接受，快速压力控制或串级内环则与PID 采样周期叠加，须在回路设计中仿真评估，动态要求高的回路宜选用原生 APL 设备。其二为诊断损失：并非所有 PA 诊断位均有对等 PROFINET 定义，厂商特有位（如 PA 3.x 摩擦趋势报警）常被降级为“设备内部错误”等通用告警；诊断还原效果取决于 Proxy 对 GSD 的解析深度，巴斯夫选用 Proxy 受限于当时原生 APL 定位器尚不成熟。
此外，Proxy 存在易被忽视的工程风险：交换机成为协议转换单点，故障将中断整条 PA 分支；不同厂商 Proxy 实现差异可能导致诊断映射不一致，需前期开展互操作测试；PA 总线 31.25 kbit/s 的固有性能上限不因升级交换机而改变。总体而言，PA Proxy 属网络层升级手段，无法消除 PA 仪表自身的性能短板。
三条方案在协议栈实现层面各有侧重，选型时要把回路的重要等级和设备生命周期结合起来考量。下表从多个维度对比三条技术路线：
表2 三条协议路径的多维度对比
对比维度 |
HARTIP over APL |
PROFINET over APL |
PA Proxy |
协议栈深度 |
应用层完全兼容原有HART |
基于PA Profile4应用层重构 |
物理层升级，协议透明转换 |
带宽/速率 |
10 Mbit/s |
10 Mbit/s |
上行10 Mbit/s；PA本地段31.25 kbps |
控制周期适用性 |
不适合高动态周期控制 |
最小周期可达10 ms |
受PA轮询+Proxy处理时延约束 |
诊断数据能力 |
带宽充足，但数据模型表达有限 |
具备规范化完整诊断对象模型 |
诊断完整度取决于Proxy映射能力 |
设备生态 |
HART存量设备庞大，适配器通用性好 |
海外产品成熟，国产定位器研发中 |
无需采购原生APL定位器 |
迁移成本 |
较低，主要投入为适配器/网关 |
较高，需更换现场定位器设备 |
中等，升级现场交换机即可 |
从控制周期看：PROFINET over APL（10 Mbit/s 全双工）最小控制周期可达 10 ms，适合对响应速度有要求的调节回路；HART-IP 物理层延迟与 PROFINET 相当，但应用层一问一答模式不适于高速周期控制，更宜承担诊断采集与资产管理；PA Proxy 的实际控制周期等于Proxy 处理时延之和。
从投资节奏与资产状态决定路径选择看：PA Proxy 增量投入最小，仅更新 APL 交换机即可搭建网络底座；HART-IP 需额外部署适配器或网关；PROFINET over APL 需整体更换定位器硬件，一次性投入最高，但长期运维与架构成本反而更低。
因此，定位器服役年限短、设备较新时宜优先采用 Proxy 或适配器方案，以充分利用现有硬件；接近寿命末期或属新建装置，则优先考虑原生 APL 定位器。对拥有上千台定位器的大型工厂，务实策略是分层部署：新建装置的关键调节阀，在进口设备采购周期与成本可接受的条件下直接选用APL 原生定位器，同时跟踪国内厂商研发进度，待国产产品完成认证、实现稳定供货后逐步扩大应用比例，提升供应链自主可控水平；老厂改造中，存量PROFIBUS PA 段可借助 Proxy 完成网络升级以保护现有资产，分散的 HART 定位器经适配器统一汇总诊断数据。Ethernet-APL 统一的两线物理介质使该分层方案成为现实：同一根双绞线可承载不同协议并行工作，网络基础设施投入可由多条改造路径共享。随着国产 APL 仪表逐步进入市场、示范项目持续落地、工程经验不断沉淀，Ethernet-APL 在国内控制阀定位器场景的应用有望进入更快发展阶段。
Ethernet-APL 依托 10BASE-T1L 物理层，解决了传统两线制现场总线在带宽与供电功率方面的瓶颈；但物理层的进步并不自动等同于应用层方案的成熟。智能阀门定位器向 APL 体系的迁移存在三条差异化路线，其适用边界各不相同。
HART-IP over Ethernet-APL的最大优势在于兼容存量HART 应用层、改造灵活，可快速释放大文件诊断数据的传输能力；但其事务型交互机制不适于高速周期控制，且数据模型标准化程度不足，故更宜用于存量 HART 设备的诊断升级。
PROFINET over Ethernet-APL 依托PA Profile 4 实现控制与诊断通道合一，以 NE107 统一诊断语义，并搭配 S2 系统冗余，属面向未来的原生方案；文中未讨论的其他主流应用层协议包括MODBUS TCP、OPC UA、EtherNet/IP以及国内基于MODBUS衍生的NIICA等均可直接在APL物理层之上实现数据传输，当前海外已有成熟的APL认证产品，国内仪表厂商正攻关国产原生 APL 定位器，有望进一步丰富产品供给。Profibus PA Proxy 以协议透明转换方式，在不更换 PA 定位器硬件的前提下接入 APL 网络，适合存量项目渐进式改造，但其引入的通信时延不可忽视，且存在诊断信息丢失风险，应结合回路动态特性合理选用。
国内流程工业不宜采取一刀切的迁移策略：新建与技改项目、关键与普通回路、设备新旧程度不同，所适配的技术路径各异。现阶段较为务实的工程思路是分层混合部署—— 统一建设 Ethernet-APL 网络硬件底座，依据回路需求、设备寿命周期与国产装备供货进度，混合采用三条迁移路径。随着国产 Ethernet-APL 定位器完成认证并实现商业化落地，可逐步扩大原生 APL 定位器的使用规模，在实现工厂数字化升级的同时，提升流程工业现场设备供应链的自主可控能力。
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