Anlagenbau & Prozesstechnik

Ist Ethernet-APL marktreif?

Nahtloser Datenzugriff und effiziente Nutzung technischer Ressourcen in Prozessanlagen

17.03.2021 - Vom Ex-Bereich bis in die Cloud: Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) macht den Weg frei für das Internet der Dinge in der Prozessautomation.

Ethernet APL ist eine einfache und robuste Technologie, die die Anforderungen der Prozessindustrie erfüllt: Vorhandene Installationen können weiter genutzt und bestehende Anlagen kostengünstig modernisiert werden.

Die Zweidrahtleitung ist für ihre Robustheit geschätzt und etabliert. APL ermöglicht wesentlichen Eigenschaften für die Prozessautomatisierung: Lange Kabelwege, Stromversorgung über das Datenkabel, 10 Mbit/s Datenrate und Explosionsschutz mit Eigensicherheit.

Motivation

Mit Single Pair Ethernet (SPE) steht ein neuer Physical Layer bereit, der statt zwei oder vier Adernpaaren nur ein Datenpaar benötigt. Unterschiedliche IEEE 802.3 Protokolle inklusive der möglichen Stromversorgungskonzepte wie Power over Date Line (PoDL) ermöglichen Übertragungsraten von 10 Mbit/s bis 10 Gbit/s. SPE wird auch bei der PNO als Weg gesehen, Profinet bis in die Feldebene zu bringen.

Für die Prozessindustrie entsteht mit APL (Advanced Physical Layer) eine exakt passende Physik, die Ethernet auch in den Ex-Bereich bringt. Mit einer Datentransferrate von 10 Mbit/s können die meisten Applikationen der Prozessindustrie realisiert werden. Für Anwendungen, die eine größere Bandbreite (100 Mbit/s) und lange Übertragungsstrecken benötigen, sind derzeit Untersuchungen im Gange.

International genormt

Das Ziel des APL Projekts, einer Kooperation von zwölf namhaften Lieferanten und vier Anwender- und Standardisierungsorganisationen, ist es, diesen Übertragungsweg auf die Bedürfnisse der Prozessindustrie exakt zuzuschneiden und mit einer passenden Physik eine Datenautobahn zu etablieren, die eine durchgängige Digitalisierung bis ins Feld attraktiv macht und für die Betreiber effektivere und kostengünstigere Lösungen ermöglicht.

Gemeinsam definiert fließt Ethernet-APL in international gültige Normen ein. Die Kommunikation ist bereits als 10 Base-T1L im bekannten IEEE 802-Standard veröffentlicht. Der „Community Draft for Vote“ für den Explosionsschutz mit Eigensicherheit wurde ebenfalls veröffentlicht. Eine Verabschiedung durch das IEC-Gremium ist damit so gut wie gewiss. Dieser Standard gewährleistet die Kompatibilität von Ethernet-APL-Teilnehmern, die auch Knoten genannt werden. Alle anderen Definitionen sind ebenfalls weit fortgeschritten. So wird die Technologie für alle Marktteilnehmer zugängig.

 

„Zweidrahtleitung, steckbare Klemmen und verpolungssichere Geräte gewährleisten die Einfachheit bei der Installation.“

 

Revolutionär und dennoch vertraut

Ethernet-APL geht über die Definition der Kommunikation nach IEEE Standard weit hinaus: Zweidrahtleitung, steckbare Klemmen und verpolungssichere Geräte gewährleisten die Einfachheit im Umgang und bei der In­stallation. Eine hohe Festigkeit gegen elektromagnetische Störungen, Blitzschutz und der anwenderfreundlich gestaltete Explosionsschutz sorgen für Interoperabilität. Die Arbeitsgruppen definieren aktuell Tests, nach denen alle Geräte zertifiziert werden. Diese Definitionen und die bei den Anwenderorganisationen in der Entwicklung befindlichen Prüfungen bilden die Basis für Kompatibilität.

Ethernet im Feld bietet mehr Messwerte, präzisere Übertragungstechnik sowie den parallelen Zugang von mehreren Systemen oder Bedienstationen, weil Ethernet verschiedene Protokolle gleichzeitig transportieren kann. Ethernet ermöglicht datengestütztes Arbeiten für alle Beteiligten einer Prozess­anlage. Switches ersetzen die früher notwendigen Netzübergänge und Gateways – die Zuordnung der Daten am Protokollübersetzer und der damit verbundene Planungs- und Konfigurationsaufwand  entfällt.

Der Betreiber kann Daten von Steuerungs- und Wartungsstationen automatisch mit Feldgeräte­informationen anreichern. Digitale Daten sind höher aufgelöst. Diese ermöglichen in Kombination mit Konfigurations- und Diagnosedaten Erkenntnisse über die Zustände von Geräten und Prozess und damit eine präzisere Führung der Anlage und vorrausschauende Instandhaltung.

Die Infrastruktur

Die Installation muss an die Bedingungen aller Arten von Anlagen anpassbar sein. Der APL Switch bildet hierfür das Kernelement, indem er die Verbindung zur Instrumentierung herstellt und die Daten transparent und barrierefrei transportiert. So können Daten auf Wunsch bis in das ERP System übertragen werden. Die Switches unterstützen Fast Ethernet oder Gigabit und lassen sich in jede überliegende Netzwerkarchitektur, optional auch mit Redundanz, einbinden. Die Geräteanschlüsse mit bis zu 200 m Länge können mit Eigensicherheit in jede explosionsgefährdete Zone oder Division führen.

Kabellängen bis 1.000 m ermöglicht in Zukunft der Power Switch mit hoher Speiseleistung in Kombination mit bis zu drei Trunk-gespeisten APL Field Switches. Diese Variante entspricht exakt der heute bei Feldbusinstallationen bekannten und wegen ihrer Einfachheit und Widerstandsfähigkeit geschätzten Topologie mit Haupt- und Stichleitungen, also der Trunk-und-Spur-Topologie.

Klarer Migrationspfad

Für Modernisierungs- und Migrationsprojekte bietet Ethernet-APL erstmals einen Lösungsweg. Der bekannte Kabeltyp A kann weiter verwendet werden. Ein besonderes Merkmal bietet der Pepperl+Fuchs Field Switch. Das Feldgerät kann wahlweise die Feldbusprotokolle Profibus PA oder Profinet kommunizieren. Der Switch erkennt die vom angeschlossenen Teilnehmer gesendeten elektrischen Signale und Protokolle, und wandelt diese dann automatisch in Daten für das Leitsystem um. Davon profitieren Early Adopter, wenn in der Anfangsphase dieser Technologie noch nicht alle Geräte mit APL-Anschluss verfügbar sind. Ähnliches gilt bei einer Anlagenmodernisierung, bei der es die Investition in die Instrumentierung zu schützen gilt. Die Techniker tauschen oder ersetzen Geräte nur bei Bedarf Zug um Zug.

Endanwender wünschen sich außerdem, dass sicherheitsgerichtete Signale per Ethernet übertragen werden können. Hier kann sich Ethernet-APL als Enabler erweisen. Die Protokolle bieten dafür bereits Funktionen in der Kommunikation, die sich mit APL Technologie bald in Feldgeräten finden könnten. So kann die gleiche Infrastruktur für Prozess- und für Sicherheitssignale aufgebaut werden.

Die Übertragung zwischen Sicherheitssteuerung und Feldgeräten ist SIL 3, ohne dass man für die In­frastruktur separate Betrachtungen durchführen muss. Hierzu dient das Konzept des „schwarzen Kanals“, was die Kapselung für die Daten definiert und diese in einem normalen Telegramm überträgt – eine erhebliche Vereinfachung für Planer, Betreiber und Hersteller.

Ausblick

Ethernet-APL bietet einen hohen Nutzen und alle Eigenschaften, die für einen zuverlässigen Betrieb von Prozessanlagen notwendig sind. Pepperl+Fuchs bringt in diese kollaborative Entwicklung seine Jahrzehnte lange Erfahrung in der Form von Patenten, Wissen und Mitarbeit in Arbeitskreisen ein – für ein robustes, modernes Ethernet im Feld der Prozessanlage. Ethernet wird 2021 marktreif!

 

„Ethernet-APL ermöglicht den nahtlosen Zugriff auf Daten und damit die bessere Nutzung von Planungskapazitäten."

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