Inhaltsverzeichnis
1. Warum ist Ethernet APL wichtig?
2. Ethernet APL ersetzt 4- bis 20-mA-Einheitssignal und Feldbuskommunikation
3. Bis zu 1.000 Meter Kabellänge
4. Funktionalere Leistungsmessung und verbesserte Datenverarbeitung am Netzrand
5. Vorteile einer Ethernet-APL-Lösung
6. Ethernet-APL-Verkabelung und Netzwerktopologie
7. Ethernet-APL-Geräte für neue Möglichkeiten
Ethernet APL basiert auf dem neuen Ethernet Physical Layer Standard 10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019), der am 7. November 2019 verabschiedet wurde, und legt die Implementierungs- und Explosionsschutzmethoden für explosionsgefährdete Umgebungen fest. Die führenden Unternehmen in der Prozessautomation arbeiten unter dem Dach von Profinet International (PI), ODVA und der FieldComm Group zusammen, um Ethernet APL für Industrial-Ethernet-Protokolle nutzbar zu machen und dessen Einsatz zu beschleunigen.
Warum ist Ethernet APL wichtig?
Ethernet APL wird die Welt der Prozessautomation verändern, indem es eine nahtlose Ethernet-Connectivity mit hoher Bandbreite zu Feldgeräten ermöglicht. Ethernet APL beseitigt die Hindernisse, die bisher dem Einsatz von Ethernet im Feld im Weg standen. Dazu gehören Leistungsaufnahme, Bandbreite, Verkabelung, Entfernung und Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen.
Durch die Beseitigung dieser Hindernisse sowohl bei Brownfield-Upgrades als auch bei Greenfield-Installationen wird Ethernet APL bisher nicht verfügbare Erkenntnisse ermöglichen. Zum Beispiel die Kombination von Prozessvariablen, Sekundärparametern und Rückmeldungen zum Anlagenzustand und deren nahtlose Kommunikation mit der Steuerungsebene. Diese Erkenntnisse werden weitere Möglichkeiten für die Datenanalyse, operative Einblicke und Produktivitätsverbesserungen durch ein konvergiertes Ethernet-Netzwerk von der Feldebene bis in die Cloud eröffnen.
Ethernet APL ersetzt 4- bis 20-mA-Einheitssignal und Feldbuskommunikation
Um in der Prozessautomation das 4- bis 20-mA-Einheitssignal oder die Feldbuskommunikation (Foundation Fieldbus oder Profibus PA) durch Ethernet APL zu ersetzen, müssen sowohl Leistung als auch Daten für die Sensoren und Aktoren bereitgestellt werden. Die Entfernung zwischen Geräten der Feldebene und Steuerungssystemen in der Prozessautomation bringt eine erhebliche Herausforderung mit sich, da die bestehenden Industrial-Ethernet-Physical-Layer-Technologien auf eine Entfernung von 100 Metern begrenzt sind.
Ethernet-Switch fido5000 von Analog Devices kommuniziert im Prozessregler
Angesichts der in der Prozessautomation zu überbrückenden Entfernungen von bis zu einem Kilometer in Verbindung mit der Forderung nach stromsparenden und robusten Feldgeräten, die sich für den Einsatz in Zone 0 (eigensicher) eignen, wurde ein neuer Ansatz zur Realisierung der Ethernet-Physical-Layer-Technologie benötigt. Ethernet APL ist dieser neue Ansatz.
Bis zu 1.000 Meter Kabellänge
Ethernet APL basiert auf der Physical-Layer-Fähigkeit des Ethernet-Standards 10BASE-T1L einer Vollduplex-Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit dreistufiger Puls-Amplituden-Modulation (PAM 3) bei einer Symbolrate von 7,5 MBaud und 4B3T-Codierung. Es ermöglicht zwei Amplitudenbetriebsarten, 2,4 V Spitze bis 1.000 Meter Kabeldistanz und 1,0 V Spitze bei geringerer Entfernung. Durch die 1,0-V-Spitzenamplitudenbetriebsart kann diese Physical-Layer-Technologie auch in der Umgebung von explosionsgeschützten Systemen (Ex) eingesetzt werden und erfüllt die strengen Anforderungen an den maximalen Energieverbrauch. 10BASE-T1L ermöglicht die Übertragung von Energie und Daten über große Entfernungen mittels einer abgeschirmten verdrillte Zweidrahtleitung.
Wenn es um die Energieversorgung von Feldgeräten geht, kann Ethernet APL in Zone-0-Anwendungen bis zu 500 mW liefern, verglichen mit etwa 36 mW von 4- bis 20-mA-Systemen. In nicht eigensicheren Anwendungen können Feldgeräte je nach verwendetem Kabel mit einer Leistung von bis zu 60 W versorgt werden. Am Netzwerkrand steht deutlich mehr Leistung zur Verfügung und es können neue Feldgeräte mit zusätzlichen Merkmalen und erweiterten Funktionen aktiviert werden, weil die für 4- bis 20-mA-Signale und den Feldbus üblichen Leistungsbegrenzungen nicht mehr gelten.
Funktionalere Leistungsmessung und verbesserte Datenverarbeitung am Netzrand
Beispielsweise ist mit dieser zusätzlichen Leistung nun eine funktionalere Leistungsmessung und eine verbesserte Verarbeitung von Daten am Netzwerkrand möglich. Dies wird nützliche Erkenntnisse über Prozessvariablen hervorbringen, die nun über einen Webserver zugänglich gemacht werden, der auf den Feldgeräten läuft, und die letztlich Prozessabläufe und Anlagenverwaltung verbessern und optimieren werden. Um den umfangreichen Datensatz mit den wertvollen neuen Erkenntnissen zu nutzen, ist eine Kommunikationsverbindung mit höherer Bandbreite erforderlich. So lassen sich die Datensätze von den neuen Feldgeräten über die gesamte Prozessinstallation zur Infrastruktur auf Anlagenebene oder zur Verarbeitung in die Cloud liefern.
Ethernet APL macht komplexe, leistungshungrige Gateways überflüssig und ermöglicht ein konvergiertes Ethernet-Netzwerk über IT- und OT-Systeme hinweg. Das konvergierte Netzwerk vereinfacht die Installation und den Geräteaustausch und ermöglicht eine schnellere Inbetriebnahme und Konfiguration des Netzwerks. Dies führt zu schnelleren Software-Updates mit vereinfachter Ursachenanalyse und Wartung von Geräten auf Feldebene.
Vorteile einer Ethernet-APL-Lösung
Durch die Konvergenz auf Ethernet APL wurde die Notwendigkeit von teuren, komplexen und leistungshungrigen Gateways beseitigt. Dies ermöglicht auch einen Übergang von der stark fragmentierten Feldbus-Infrastruktur, die Dateninseln geschaffen hat, auf denen der Zugriff auf die Daten innerhalb der Geräte auf Feldebene eingeschränkt ist. Ohne diese Gateways werden die Kosten und die Komplexität dieser Legacy-Installationen erheblich verringert und die durch sie entstandenen Dateninseln beseitigt.
Bisherige Anwendungen der Prozessautomation nutzen die veralteten Kommunikationsstandards, die Einschränkungen mit sich bringen, die der neue Ethernet-Standard 10BASE-T1L beseitigt. 10BASE-T1L ermöglicht es, vorhandene Kabel wiederzuverwenden, wodurch sich erhebliche Möglichkeiten für Brownfield-Upgrades von Prozessautomationsinstallationen mit Ethernet APL auf Basis des Physical Layers von 10BASE-T1L ergeben. Für die Kommunikation mit einem Ethernet-APL-fähigen Gerät ist ein Host-Prozessor mit integrierter Medienzugriffskontrolle (MAC) oder ein Ethernet-Switch mit 10BASE-T1L-Ports erforderlich.
Ethernet-APL-Verkabelung und Netzwerktopologie
Der Standard 10BASE-T1L schreibt kein bestimmtes Übertragungsmedium (Kabel) vor, sondern definiert ein Kanalmodell (Anforderungen an Rückflussdämpfung und Einfügungsdämpfung). Das Kanalmodell passt gut zu den heute bereits für Profibus PA und Foundation Fieldbus verwendeten Feldbus-Kabeln vom Typ A. Daher sind viele installierte 4- bis 20-mA-Kabel potenziell mit Ethernet APL wiederverwendbar. Eine einfache verdrillte Zweidrahtverkabelung hat den Vorteil, dass sie gegenüber komplexeren Verkabelungen kostengünstiger, kleiner und einfacher zu installieren ist.
Die vorgeschlagene Netzwerktopologie für Ethernet APL wird als Trunk- und Spur-Netzwerktopologie bezeichnet. Die Trunk-Kabel können bis zu einem Kilometer lang sein mit einer PHY-Amplitude von 2,4 V Spitze und befinden sich in Division 2 der Zone 1. Die Spur-Kabel können bis zu 200 Meter lang sein mit einer PHY-Amplitude von 1,0 V Spitze und befinden sich in Division 1 der Zone 0.
Auf der Steuerungsebene befindet sich ein Leistungsschalter, der die Ethernet-Switch-Funktionalität bereitstellt und die Energieversorgung über die Datenleitungen ermöglicht. Feld-Switches befinden sich auf der Feldebene im explosionsgefährdeten Bereich und werden über das Kabel versorgt. Die Feld-Switches stellen die Ethernet-Switch-Funktionalität bereit, die die Geräte der Feldebene an den Spur-Kabeln mit dem Trunk-Kabel verbindet und die Leistung an die Geräte der Feldebene weiterleitet. Mehrere Feld-Switches sind über ein Trunk-Kabel verbunden, um die hohe Anzahl der an das Netzwerk anzuschließenden Feldgeräte zu ermöglichen.
Ethernet-APL-Geräte für neue Möglichkeiten
APL ermöglicht den Übergang zu nahtlosen Prozessautomationsinstallationen mit Feld-zu-Cloud-Verbindungen, einschließlich explosionsgefährdeter Bereiche für Installationen der Lebensmittel- und Getränke-, Pharma- sowie Öl- und Gasbranchen. Mit deutlich mehr Leistung können neue Ethernet-APL-fähige Feldgeräte mit zusätzlichen Merkmalen und Funktionen unterstützt werden.
Die neuen Geräte werden umfangreiche Datensätze für das Cloud-Computing mit leistungsfähigen Datenanalysen freisetzen und die Prozessoptimierung mit verwertbaren Erkenntnissen vorantreiben. Neue Geschäftsmodelle für die Prozessindustrie werden nun möglich sein, um komplexere Prozess- bzw. Fertigungsabläufe zu ermöglichen und aus den neuen, jetzt verfügbaren Erkenntnissen Werte zu schaffen. (ge)
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