Analog Devices
Nahtlos vernetzen bis ins Feld
Mit 10BASE-T1L Single Pair Ethernet wurde vor gut einem Jahr ein neuer Ethernet Physical Layer bei der IEEE als Standard verabschiedet. Dieser neue Standard wird die Prozessautomation tiefgreifend verändern.
10BASE-T1L Single Pair Ethernet ist ein neuer Ethernet-Physical-Layer-Standard (IEEE 802.3cg-2019), der innerhalb des IEEE am 7. November 2019 verabschiedet wurde. Er wird die Prozessautomatisierungs-Branche tiefgreifend verändern, indem er durch nahtlose Ethernet-Konnektivität bis zu Feldgeräten – Sensoren und Aktoren – für eine deutliche Anhebung der Betriebseffizienz in Fabriken sorgt.
Mit 10BASE-T1L werden die Probleme beseitigt, die in der Prozessautomatisierung bis dato der Verwendung von Ethernet bis zu den Feldgeräten im Weg standen. Zu diesen Problemen gehören der Stromverbrauch, die Bandbreite, die Verkabelung, die Entfernung, Dateninseln sowie eigensichere Zone-0-Anwendungen (für Gefahrenbereiche). Indem sie diese Herausforderungen nicht nur bei der Erweiterung bestehender Anlagen, sondern auch beim Bau neuer Anlagen beseitigt, wird die 10BASE-T1L-Technik neue, bislang nicht gebotene Einblicke ermöglichen, wie zum Beispiel das Zusammen-fassen von Prozessvariablen, sekundären Parametern und Rückmeldungen zum Anlagenzustand sowie die nahtlose Weiterleitung dieser Informationen an die Steuerungsebene und in die Cloud.
Diese neuen Einblicke werden neue Möglichkeiten für die Datenanalyse, betriebliche Informationen und Produktivitätssteigerungen ergeben, indem ein durchgehendes Netzwerk vom Feld bis in die Cloud entsteht.
Vorteile der Single-Twisted-Pair-Verkabelung im Vergleich zu komplexeren Verkabelungsarten sind die niedrigeren Kosten, der geringere Platzbedarf und die einfachere Installation.
Die Grundlage des 10BASE-T1L
Grundlage von 10BASE-T1L ist eine vollduplexfähige, DC-symmetrische Punkt-zu-Punkt-Kommunikationstechnik mit PAM-3-Modulation und einer Baudrate von 7,5 MBaud bei 4B3T-Codierung. Es werden zwei Amplituden-Betriebsarten unterstützt, nämlich 2,4 V Peak für bis zu 1000 m lange Kabel und 1,0 V Peak für reduzierte Übertragungsdistanzen. Der optionale Betrieb mit 1,0 V Peak bedeutet, dass diese neue Physical-Layer-Technologie auch im Bereich von EX-geschützten Systemen eingesetzt werden kann und die dort geltenden strikten Vorschriften für die maximale Energie erfüllt. Die zur Familie der SPE-Medien (Single Pair Ethernet) gehörende Technik ermöglicht große Übertragungsdistanzen mit Zweidraht-Technologie und überträgt Leistung und Daten auf ein und demselben STP-Kabel.
Mit 10BASE-T1L lässt sich bedeutend mehr Leistung an Feldgeräte übertragen, und zwar bis zu 500 mW in eigensicheren Zone-0-Anwendungen, während es bei 4-20-mA-Geräten nur etwa 36 mW sind. In nicht eigensicheren Anwendungen stehen abhängig vom verwendeten Kabel sogar bis zu 60 W zur Verfügung. Durch die Verfügbarkeit von deutlich mehr Leistung an den Außengrenzen des Netzwerks und den Wegfall der bei 4-20-mA-Stromschleifen und Feldbussen bestehenden Leistungsgrenzen ist der Weg frei für neue Feldgeräte mit erweiterter Feature-Ausstattung und neuer Funktionalität.
Zum Beispiel sind mit dieser zusätzlichen Leistung leistungsfähigere Messungen und eine aufwendigere Datenverarbeitung an der Edge möglich. Dies wiederum liefert wertvolle Erkenntnisse über Prozessgrößen, die nunmehr mit einem in den Feldgeräten laufenden Web-Server per Internet zugänglich gemacht werden können und letztendlich zu Verbesserungen und Optimierungen bei den Prozessabläufen und beim Asset-Management führen.
10BASE-T1L macht komplexe, viel Strom verbrauchende Gateways entbehrlich und ermöglicht die Einrichtung eines durchgehenden, die IT- und OT-Netzwerke übergreifenden Ethernet-Netzwerks. Dieses konvergierte Netzwerk erlaubt eine vereinfachte Installation, einen einfachen Austausch von Geräten sowie eine schnellere Kommissionierung und Konfiguration des Netzwerks, was im Endeffekt zu schnelleren Software-Updates, verbunden mit einer vereinfachten Ursachenanalyse und Instandhaltung der Feldgeräte führt.
Vorteile einer Ethernet-basierten Lösung
Mit der Entscheidung für Ethernet als einheitliche Kommunikationsmethode für die Unternehmens-, Steuerungs- und Feldebene kann von der hochgradig fragmentierten Feldbus-Infrastruktur abgegangen werden, die zur Bildung von Dateninseln mit eingeschränkter Datenzugänglichkeit in den Feldgeräten geführt hat. Durch den Wegfall der Gateways werden die Kosten und die Komplexität dieser Alt-Installationen deutlich reduziert, und die von ihnen geschaffenen Dateninseln beseitigt.
Bis dato kamen in Prozessautomatisierungs-Applikationen die in Tabelle 1 aufgeführten früheren Kommunikationsstandards zum Einsatz, deren Nachteile sich mit dem neuen 10BASE-T1L-Standard vermeiden lassen.
Ethernet-Standards bieten die Gewähr, dass alle höheren Protokollschichten mit 10BASE-T1L genauso funktionieren wie mit 10BASE-T, 100BASE-TX und 1000BASE-T, sodass auf komplexe Gateways verzichtet werden kann.
Geräte können deshalb jetzt Profinet, Ethernet/IP, HART/IP, OPC UA oder Modbus/TCP nutzen und IoT-Protokolle wie MQTT unterstützen, was eine ebenso einfache wie leistungsfähige Möglichkeit zur Verbindung eines Feldgeräts mit der Cloud bietet. Darüber hinaus erlaubt Ethernet einfache, zentral gesteuerte Software-Updates bis hin zu den Endknoten, sodass sich Netzwerke schneller kommissionieren lassen.
Für die Kommunikation mit einem 10BASE-T1L-fähigen Gerät ist ein Hostprozessor mit integrierter MAC-Funktion (Media Access Control), ein passiver Media Converter oder ein Switch mit 10BASE-T1L-Ports erforderlich. Zusätzliche Software wird dagegen ebenso wenig benötigt wie ein individuell angepasster TCP/IP-Stack oder besondere Treiber (siehe Bild 1). Somit bieten 10BASE-T1L-Geräte klare Vorteile:
• Zwar wird für die Anbindung an 10BASE-T1L ein Media Converter benö-tigt, jedoch wandelt dieser lediglich die physische Codierung, nicht aber den Inhalt der Ethernet-Pakete um, sodass er aus Sicht der Software und der Kommunikationsprotokolle transparent ist.
• Mit Ethernet-Konnektivität ist es möglich, Sensoren per Laptop oder Mobiltelefon zu konfigurieren – ganz gleich, ob sich der Sensor am Labor-Arbeitsplatz befindet oder in einer Fabrik verbaut ist. Zum Beispiel sind Temperaturgeber heute mit einer zusätzlichen Schnittstelle (beispielsweise USB) ausgestattet, um den Wandler konfigurieren zu können, und je nach Hersteller stehen unter Umständen deutlich mehr als 100 Einstellmöglichkeiten zur Verfügung. Diese Parameter sind heute per 4-20-mA-Stromschleife schlicht nicht zugänglich. HART ermöglicht diesen Zugang, steht aber häufig aus Kostengründen nicht zur Verfügung. Wenn also während der Ersteinrichtung im Labor ein Fehler gemacht wurde, muss ein installierter Sensor mit 4-20-mA-Schnittstelle vor Ort rekonfiguriert werden. Auf einen per 10BASE-T1L angeschlossenen Sensor kann dagegen über das Netzwerk zugegriffen werden, sodass sich Updates zu jeder Zeit und von beliebigen Orten aus vornehmen lassen.
• Feldgeräte mit 4-20-mA-Schnittstelle können nur eine einzige Prozessgröße übermitteln, während Ethernet den direkten Zugriff nicht nur auf Prozessgrößen, sondern auf alle Geräteparameter (für Asset Management, Lifecycle Management, vorausschauende Instandhaltung, Konfiguration und Parametrierung) erlaubt.
• Wegen der zunehmenden Komplexität der Sensoren wächst die Wahrscheinlichkeit, dass Software-Updates nötig werden. Mit einer schnellen Ethernet-Verbindung sind diese Updates jetzt jederzeit und von überall aus mit realistischem Zeitaufwand durchführbar.
• Fehlerursachen lassen sich dank des Zugangs zu fortschrittlichen Diagnosetools für Ethernet-Netzwerke einfacher einkreisen.
Die Netzwerk-Einrichtung
Anders als bei der Gebäude- oder Fabrikautomatisierung befinden sich die Sensoren und Aktoren – für Durchfluss, Druck, Füllstand, Temperatur – nicht in der Nähe der Steuerung. Entfernungen von 200 m zwischen Sensor und I/O sind nicht ungewöhnlich, und von einem Switch zum anderen sind möglicherweise Distanzen bis zu 1000 m zu überbrücken.
Die Prozessautomatisierung nutzt Feldbus-Kabel des Typs A, wie es heute schon bei Installationen mit Profibus PA und Foundation Fieldbus der Fall ist.
Der 10BASE-T1L-Standard schreibt kein bestimmtes Übertragungsmedium (Kabel) vor, sondern definiert lediglich ein Kanalmodell (Anforderungen an die Rückfluss- und Einfügedämpfung). Da das Kanalmodell von 10BASE-T1L hervorragend zu Feldbus-Kabeln vom Typ A passt, lassen sich einige bereits installierte 4-20-mA-Kabel auch für 10BASE-T1L nutzen, was sehr gute Perspektiven für die Erneuerung bestehender Prozessautomatisierungs-Installationen bietet.
Wie erwähnt, bietet 10BASE-T1L bei bis zu 200 m langen Leitungen die Möglichkeit, die Signalamplitude auf 1 V herabzusetzen. Die Technik kommt deshalb auch für EX-geschützte Installationen in Frage und kann die strikten Maximal-energie-Restriktionen von Gefahrenbereichen mit einer Leistung bis zu 500 mW einhalten.
Angesichts des deutlich größeren Leistungsangebots gegenüber der 4-20-mA-Stromschleife (500 mW anstatt 36 mW) können heutige Vierdraht-Geräte, die wegen der begrenzten Leistung der 4-20-mA-Technik auf eine externe Stromversorgung angewiesen sind, nun durch Zweidraht-Geräte mit 10BASE-T1L ersetzt werden. Dies ergibt eine größere Flexibilität bei der Installation neuer Geräte, da keine externe Stromversorgung nötig ist.
Im oberen Bild 2 ist die für die Prozessindustrie konzipierte Netzwerk-Topologie mit Haupt- und Stichleitungen (trunk and spur network) zu sehen. Die Hauptleitungen können bei einer PHY-Amplitude von 2,4 V Peak bis zu 1 km lang sein und sich in Zone 1, Division 2 befinden. Die Stichleitungen wiederum können eine Länge bis zu 200 m haben, mit einer PHY-Amplitude von 1,0 V Peak betrieben werden und in Zone 0, Division 1 verlegt sein. Ein auf der Steuerungsebene angesiedelter Power-Switch fungiert einerseits als Ethernet-Switch und stellt andererseits die Stromversorgung über die Datenleitungen zur Verfügung.
Auf der Feldebene, das heißt in den Gefahrenbereichen, befinden sich Feldswitche, die über das Kabel mit Strom versorgt werden. Diese Feldswitche stellen jene Ethernet-Switch-Funktionalität zur Verfügung, mit der die an die Stichleitungen angeschlossenen Feldgeräte mit der Hauptleitung verbunden sind, und versorgen die Feldgeräte mit Strom. An eine Hauptleitung können mehrere Feldswitche angeschlossen sein, um die große Zahl der insgesamt an das Netzwerk angeschlossenen Feldgeräte zu unterstützen.
Um für Redundanz zu sorgen, können die Feldswitche mit einer Ringtopologie verschaltet sein. An der Edge stellt eine Datenrate von 10 MBit/s einen erheblichen Fortschritt für die meisten Anwendungen dar, die in der Vergangenheit auf eine Datenrate von weniger als 30 kBit/s beschränkt waren. Wenn nunmehr Ethernet zur Anbindung der Endgeräte auf der Feldebene genutzt wird, wachsen IT und OT zu einem nahtlosen Ethernet-Netzwerk zusammen, was wiederum die IP-Adressierbarkeit jeglicher Endknoten von beliebigen Orten auf der Welt aus ermöglicht.
Ethernet-APL mit 10BASE-T1L
Der Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) spezifiziert die Einzelheiten darüber, wie die Ethernet-Kommunikation auf Sensoren und Aktoren in der Prozessindustrie angewandt wird. Er wird im Rahmen der IEC veröffentlicht. Das Dokument basiert auf dem Ethernet-Physical-Layer-Standard 10BASE-T1L und spezifiziert die Implementierungs- und Explosionsschutz-methoden für die Verwendung in Gefahrenbereichen. Unter dem Dach der Profibus Nutzerorganisation, ODVA und der FieldCommGroup arbeiten die führenden Unternehmen der Prozessautomatisierungs-Branche zusammen, um die Funktionsfähigkeit des Ethernet-APL auf allen Industrial-Ethernet-Protokollen zu gewährleisten und seine Verbreitung zu fördern.
Der Umstieg von HART
4-20-mA-Schnittstellen mit HART wurden in Prozessautomatisierungs-Anwendungen über viele Jahre hinweg erfolgreich genutzt und stellen eine erprobte, betriebssichere Lösung dar, die nicht von heute auf morgen verschwindet, denn es existiert ein großer Bestand an installierten Instrumenten für die 4-20-mA-Stromschleife mit HART.
Analog Devices investiert außerdem in softwarekonfigurierbare I/Os. Diese ermöglichen mehr Installations-Flexibilität für die bestehenden Geräte, indem sie das Herausführen jeglicher industrieller I/O-Funktionen an beliebigen Pins erlauben, was in Remote-I/O-Applikationen eine jederzeitige Konfiguration von Kanälen zulässt. Die Individualisierung kann somit zum Zeitpunkt der Installation vorgenommen werden, was zu kürzeren Markteinführungszeiten führt, weniger Designressourcen erfordert und universelle Produkte ergibt, die in großem Umfang für unterschiedliche Projekte und Kunden verwendet werden können.
Bild 3. Die früher übliche diskrete Verkabelung wird nach und nach durch ein intelligentes, sämtliche Sensoren und Aktoren abdeckendes Ethernet-Netzwerk abgelöst werden.
© ADIDas Bild rechts veranschaulicht den Übergang von den alten, per 4-20-mA-Stromschleife angeschlossenen Instrumenten zu einer modernisierten Ethernet-Lösung, in der neue 10BASE-T1L-fähige Instrumente mit alten 4-20-mA-Instrumenten koexistieren. Softwarekonfigurierbare I/O-Bausteine dienen zum Anschluss dieser alten Instrumente, während Remote-I/Os als Sammelpunkt für die Verbindung mit einem 10-Mbit-Ethernet-Uplink zur SPS dienen.
Anwendungen außerhalb der Prozessautomatisierung
Inzwischen fasst 10BASE-T1L auch Fuß in der Gebäude- und Fabrikautomation, der Energieversorgung, der Überwachungstechnik, der Automatisierung von Wasserwerken und Abwasserbehandlungs-Anlagen sowie in der Aufzugstechnik.
Allen diesen Anwendungen gemeinsam ist die Forderung nach mehr Bandbreite und nahtloser Ethernet-Konnektivität (ohne Gateways) bis zum Sensor unter Verwendung eines einzigen STP-Kabels für Stromversorgung und Daten. Die Tabelle 2 oben vergleicht 10BASE-T1L mit den bisher genutzten leitungsgebundenen Übertragungstechniken.
Anwendungsbeispiele sind die in der Gebäudeautomation verwendete RS-485-Technik und der in der Fabrikautomation verbreitete I/O-Link-Standard.
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