Die Welt der digitalen Kommunikation ist eine Ethernet-Welt. Ethernet treibt das Internet an, es verbindet Computer zu Hause und ist zum Kommunikationsrückgrat fast jeder Organisation geworden. Cloud-basierte Lösungen basieren auf Ethernet. Fertigungsprozesse werden mit Ethernet automatisiert. Sogar das Internet der Dinge verwendet das Ethernet-Protokoll zur Verbindung mit Computern und Systemen. Es ist daher nicht überraschend, dass Industrie 4.0 und ähnliche Initiativen auf diesen omnipräsenten Kommunikationsstandard setzen, der die Welt erobert hat.

Anders jedoch in den Prozessindustrien. Hier rückt Ethernet erst nach und nach in den Status einer Basistechnologie für die digitale Zukunft auf.
‚Ethernet-APL‘ beschreibt eine neue physikalische Ebene für das Ethernet, die auf die Anforderungen von Prozessanlagen zugeschnitten ist und sich nahtlos in die allgegenwärtige Ethernet-Welt integriert. Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) ist ein gemeinsames Entwicklungs- und Standardisierungsprojekt der vier großen Nutzergruppen in der Prozesswelt: der FieldComm Group, der ODVA, der OPC Foundation und Profibus/Profinet International. Gemeinsam mit Pepperl+Fuchs unterstützen zwölf PCS- und Hardware-Anbieter Ethernet-APL.

Was Ethernet so erfolgreich gemacht hat, ist vor allem seine inhärente Einfachheit – ein Gerät wird angeschlossen und automatisch vom Netzwerk erkannt. Es muss nur einmal konfiguriert werden und funktioniert immer wie vorgesehen. In der Prozessautomatisierung ist eine solche Einfachheit für viele Anlagenbetreiber bis dato noch Wunschdenken. Ethernet-APL soll das ändern. 

An die Prozesswelt angepasst

Die Betreiber von Prozessanlagen hatten hingegen gute Gründe, an der bewährten 2-Draht-Verkabelung festzuhalten. Denn für die Prozessindustrien hat die Standard-Ethernet-Kommunikation eine Reihe gravierender Nachteile – beginnend schon damit, dass die Länge eines Ethernet-Kabels auf 100 m begrenzt ist. Weitläufige Prozessanlagen müssen jedoch oft Entfernungen von bis zu 1000 m überbrücken. Probleme gibt es auch bei der Stromversorgung der Geräte über eine Ethernet-Leitung. Zudem erfordern viele verfahrenstechnische Anlagen einen zuverlässigen Schutz in Gefahrenbereichen, insbesondere den Explosionsschutz durch die Schutzart Eigensicherheit und eine ausgeprägte Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Störungen. 

Es gab vier Hauptforderungen auf dem Weg, Ethernet an die Prozesswelt anzupassen:

• ein zuverlässiger Datenpfad für eine schnelle Kommunikation

• die passende Stromversorgung für Feldgeräte über die Datenleitungen

• ein effizienter Explosionsschutz 

• eine deutlich vereinfachte Installations- und Verbindungstechnik.

Mehr Daten mit höherer Geschwindigkeit

Topologie für lange Kabelwege: Die Stammleitung speist den Field Switch und die angeschlossenen Geräte. Stichleitungen versorgen die Feldgeräte einzeln. Dies erzeugt Übersichtlichkeit bei Installations- und Wartungsarbeiten.

© Pepperl+Fuchs

Für die Ethernet-Kommunikation über zwei Leiter unterscheidet die IEEE 802-3 zwischen verschiedenen Varianten des BASE-T1-Verkabelungsstandards, die unterschiedliche Geschwindigkeiten und Kabellängen ermöglichen. Zum Beispiel ermöglichen zwei Adern demnächst die High-Speed-Vernetzung von Computern innerhalb eines Hochleistungs­rechenzentrums. Damit lassen sich Geschwindigkeiten von bis zu 10 Gbit/s über relativ kleine Entfernungen reali­sieren. 

Im Gegensatz dazu ist 10BASE-T1L die Alternative für die Kommunikation über große Entfernungen. Möglich sind dabei Geschwindigkeiten bis zu 10 Mbit/s über geschirmte Kabel mit einer Länge von bis zu 1000 m.
Für verfahrenstechnische Anlagen wird dies der neue Kommunikationsstandard sein, der eine 2-Draht-Verkabelung für Anlagen mit einer großen Fläche erfordert.

Ethernet-APL erfordert keine spezielle Verkabelung, sondern verwendet Standardkabel vom Typ A, die in der Prozessindustrie bestens bekannt sind. Die Installationsmethoden entsprechen daher den bereits etablierten Verfahren. Als Standard gibt es sowohl Klemm- als auch Schraubverbindungen für die Verbindungen zu Feldgeräten und Switches. Auch Standard-M12-Steckverbinder sind einsetzbar. Mit anderen Worten: Die Migration zu Ethernet-APL schützt Investitionen in die Infrastruktur einer Prozessanlage durch die Möglichkeit, bereits vorhandene Kabel uneingeschränkt weiterverwenden zu können.

Ein weiterer Aspekt von Ethernet-APL ist die Tatsache, dass dieser als reiner Physical-Layer-Standard eine 2-Draht-Ethernet-Kommunikation völlig unabhängig von den verwendeten Protokollen ermög-licht. Dies gibt dem Anlagenbetreiber die Freiheit, sich immer für das Kommunikationsprotokoll zu entscheiden, das für die jeweilige Anwendung oder das System am besten geeignet ist.

Vereinfachte Eigensicherheit

Ein häufiges Merkmal von Prozessanlagen sind explosionsgefährdete Bereiche. Dieser Aspekt muss bei jedem System berücksichtigt werden – insbesondere dann, wenn es Feldinstrumente mit Strom versorgt. Ethernet-APL verwendet Eigensicherheit nach dem neuen 2WISE-Standard (2-Wire Intrinsic Safety Ethernet), der an FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) angelehnt ist. Er ist in der IEC TS 60079-47 definiert beziehungsweise wird derzeit bearbeitet und beschreibt alle Werte und Anforderungen, denen Ethernet-APL-fähige Feldgeräte entsprechen müssen.

Diese gerätebasierte Lösung garantiert nicht nur die Interoperabilität der Geräte. Sie befreit den Systemplaner zudem von der Notwendigkeit, komplexe Berechnungen für jeden einzelnen Loop durchführen zu müssen. So werden Planung und Verifizierung des Explosionsschutzes sicherer, schneller und einfacher als bisher. Die Vorgehensweise dazu erfolgt in drei einfachen Schritten:

1. die Parameter für die Klassifizierung des Ex-Bereiches auswählen

2. das dazu passende Kabel auswählen

3. dokumentieren

Die nötige Infrastruktur

Standards für die Kommuni­kation über Zweileiter-Ethernet. Der Advanced Physical Layer verwendet 10BASE-T1L für bis zu 1000 m Kabellänge.

© Pepperl+Fuchs

Ethernet-APL erfordert nur zwei Arten von Infrastrukturkomponenten: Power Switches und Field Switches.

Der ‚APL Field Switch‘ für den direkten Ethernet-Anschluss passt zu kleineren beziehungsweise räumlich wenig ausgedehnten Prozessanlagen, wie sie typisch für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie sind. Er ist zur Hutschienenmontage gedacht und dient sowohl zur Stromversorgung der angeschlossenen Spurs als auch zum Datenaustausch zwischen den Geräten und der Leittechnik. Er ist für die Schaltschrankmontage in Zone 2/Div 2 ausgelegt und bietet Eigensicherheit am Spur für Ex ic IIC oder Ex ia IIC. Die Ringredundanz wird über Ethernet gewährleistet. Der Switch lässt sich an eine externe Energieversorgung anschließen.

Der ‚APL Power Switch‘ von Pepperl+ Fuchs speist elektrische Energie in den Trunk ein, um die Feldgeräte mit der erforderlichen Leistung zu versorgen. Er ist für den Schaltschrankeinbau in Zone 2/Div 2 ausgelegt und bietet Ringredundanz für die Anbindung an übergeordnete Systeme.

Der ‚APL Field Switch‘ für den Trunk ist eine Komponente zur Energieversorgung und Kommunikation, die mehrere Stichleitungen mit der Stammleitung verbindet. Er ist für die Feldinstallation in Zone 1/Div 2 konzipiert und bedient Geräte in Zone 0/Div 1. Diese über den Trunk versorgte Komponente bietet eine eigensichere Stromversorgung an allen Spurs bis zu Ex ia IIC.

In großen Prozessanlagen wird Ethernet-APL üblicherweise als Trunk-und-Spur-Topologie über Entfernungen bis zu 1000 m verwendet. Für kleinere Prozessanlagen werden sternförmige Topologien bevorzugt. Beide Topologien bilden einen uneingeschränkten Ersatz für bestehende Feldbus-Infrastrukturen. Da Ethernet-APL ausschließlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen definiert und so ein Übersprechen zwischen den Geräten praktisch unmöglich, ist die Kommunikation sehr robust. Die oberste Ebene jedes Ethernet-APL-basierten Prozessleitsystems kann aus Steuerungen sowie aus Systemen für Prozessvisualisierung, Engineering und Anlagenverwaltung bestehen. Ein völlig neuer Aspekt für die Prozessautomatisierung ist dabei der barrierefreie Zugang zu jedem System im Netzwerk und die Möglichkeit, auch Cloud-basierte Systeme einzubeziehen. Durch einen solchen Aufbau kann nicht nur der Zugriff auf praktisch alle Prozessdaten unabhängig vom Standort des Anwenders realisiert werden, sondern er lässt beispielsweise auch die prozessunabhängige Langzeitdatenspeicherung sowie die Analyse großer Datenmengen zu.

Migration leicht gemacht

Andreas Hennecke ist Produktmarketingmanager bei Pepperl+Fuchs in Mannheim.

© Pepperl+Fuchs

Eine Ethernet-APL-Kommunikationsinfrastruktur ist den derzeitigen Feldbus-basierten Lösungen auf der Basis von ‚FieldConnex‘ Power Hubs, Feldbarrieren und Segment Protecors sehr ähnlich. Dies ermöglicht einen einfachen Migrationspfad zu einem vollständig Ethernet-basierten Prozessleitsystem.

In den letzten 20 Jahren wurden viele Prozessanlagen mit digitaler Kommunikation zu den Feldgeräten zum Beispiel über Profibus PA ausgestattet. Für solche Anlagen ist die Migration zu Ethernet-APL besonders einfach, denn es müssen lediglich die vorhandenen Feldbarrieren oder Segment Protectors durch ‚APL Field Switches‘ ersetzt werden. Diese können die Feldbus- oder Ethernet-Schnittstelle des angeschlossenen Feldgeräts automatisch erkennen.

Ethernet-APL eröffnet auch die Möglichkeit, verfügbare Sicherheitskonzepte vollständig in eine Kommunikationsinfrastruktur zu integrieren. Zu diesem Zweck werden die Sicherheitsdaten über einen ‚schwarzen Kanal‘ übermittelt, der im Prinzip huckepack auf einem der Standardkommunikationsprotokolle läuft.

Lösungen dieser Art sind in der Fertigungsindustrie bereits etabliert und 
können über kurz oder lang Teil jeder Ethernet-APL-basierten Anlage werden. Die Verwendung dieses Konzepts wird nicht nur Design und Implementierung von Sicherheitssystemen erheblich vereinfachen, sondern auch die Kosten senken bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines hohen Sicherheitsniveaus zum Schutz sowohl der Mitarbeiter als auch der Anlage selbst.