Flexibilität, Rentabilität, Verfügbarkeit Ethernet-APL: Für eine Datenübertragung ohne Grenzen

Zum Thema Ethernet-APL referiert Andreas Hennecke von Pepperl+Fuchs auch auf der INDUSTRY.forward Expo. Hier erfahren Sie mehr.

Ethernet-APL ist das Ergebnis eines bisher einmaligen Projekts in der Prozessindustrie. Fünf führende Technologiepartner im Bereich der Prozesssteuerung, drei Anbieter von Infrastruktur-Komponenten und vier Hersteller von Feldinstrumenten haben sich dafür zusammengeschlossen. Ziel war es, eine gemeinsame physikalische Ebene für die Ethernet-Kommunikation in der Prozessanlage zu definieren.

Nachdem Ethernet-APL Eingang in die entscheidenden Standards gefunden hat, kann die Lösung als der entscheidende Schritt in Richtung Industrie 4.0 gesehen werden, der den Prozessanlagen dieser Welt völlig neue Möglichkeiten in Richtung Flexibilität, Rentabilität und Verfügbarkeit eröffnen wird. Mittlerweile stehen auch die passenden Hardware-Komponenten wie Chipsätze zur Verfügung, die es allen Marktteilnehmern ermöglichen, Ethernet in ihre Instrumentierung zu integrieren und an der Entwicklung teilzuhaben. Ethernet-APL ist bereit zum praktischen Einsatz.

Uneingeschränkter Datenfluss

Ethernet-APL beschreibt lediglich eine physikalische Ebene, und genau darin liegt der entscheidende Vorteil. Die Technologie überträgt Energie und Daten über die bekannte Zweidraht-Leitung. Sie ist robust, wie man es im Prozessbereich erwartet, und bietet darüber hinaus inhärenten Explosionsschutz mit der Schutzart Eigensicherheit.

Schon diese Merkmale deuten an, dass sich jede bestehende Prozessanlage ohne große Umstände auf Ethernet-APL-Kommunikation umstellen lässt. Damit ist der Weg frei für eine durchgängig digitale Kommunikation ohne Gateways und ohne die Einschränkungen bei der Übersetzung unterschiedlicher Protokolle.

Ethernet-APL ist also keine Revolution, die nur beim Neubau einer Prozessanlage interessant ist, sondern steht für einen evolutionären Prozess, der bestehende Investitionen schützt und auch für vorhandene Anlagen völlig neue Anwendungen erschließt. Dabei lautet das Prinzip: Bewährtes erhalten und Neues ergänzen.

So erreichen die etablierten Protokolle wie Ethernet/IP, OPC UA, Profinet oder HART IP mit einer durchgängigen Ethernet-Kommunikation vom Kontrollzentrum der Anlage bis hinunter zur Feldinstrumentierung. Das alles macht Ethernet-APL zur ersten Innovation im Bereich der Prozessindustrie, die einen dedizierten Migrationspfad vom Ist-Zustand einer bestehenden Anlage mitbringt. So können zum Beispiel viele Zweidrahtleitungen, die oft schon seit Jahrzehnten zuverlässig ihren Dienst tun, weiterhin genutzt werden.

Im Bereich der Prozesssteuerung ändert sich dabei nur wenig. Die laufenden Prozessdaten werden auf die übliche Weise überwacht und gesteuert. Der eigentliche Unterschied betrifft vor allem Bereiche wie Engeneering, Überwachung und Wartung der Instrumentierung. Parallele Ethernet-Datenströme liefern nicht nur hoch aktuelle Zustands- und Diagnosedaten über die Funktion der Sensorik und Aktorik. Auf diese Daten kann auch von außerhalb der Anlage zugegriffen werden. Außerdem kann sie der Servicetechniker über ein Smartphone oder Tablet direkt vor Ort abrufen.

Durch diese neue Datentransparenz ist das PLS einer Prozessanlage keine isolierte Systemumgebung mehr, die nach außen nur bedingt kommunizieren kann, und es ergeben sich völlig neue Workflows nicht nur für den Anlagenbetrieb selbst, sondern auch für das gesamte Unternehmen.

Koexistenz von Profibus PA und Profinet

Pepperl+Fuchs, als einer der führenden Kräfte bei der Konzeption und Entwicklung von Ethernet-APL, hat von vornherein diese Migration im Blick gehabt. So sind zum Beispiel die Ethernet-APL-fähigen Switches der FieldConnex-Reihe des Herstellers mit Anschlüssen ausgestattet, die sowohl zur alten als auch zur neuen Kommunikations- und Anschlusstechnik passen.

Doch damit nicht genug. Entdeckt der Switch ein Profibus-PA-Gerät, wird die Kommunikation automatisch von Ethernet-APL auf Profibus PA umgeschaltet und die Daten konvertiert. Sogar die Geräteadresse wird dabei automatisch eingestellt, sodass zwei grundlegend unterschiedliche Technologien nahtlos innerhalb derselben Infrastruktur kommunizieren können.

Außerdem kann der Anlagenbetreiber für jedes Feldinstrument einzeln entscheiden, welche Kommunikationstechnologie zum Einsatz kommen soll. Dies erleichtert den Einstieg, während Lieferanten ihre Portfolios auf Ethernet-APL umstellen und Produktvarianten entwickeln.

Die Hardware steht bereit

Mit der offiziellen Vorstellung von Ethernet-APL auf der Achema Pulse im Juni des Jahres wurde nicht nur das Zeitalter der Digitalisierung in der Prozessindustrie eingeläutet. Die ersten Anbieter sind auch bereits in der Lage, Ethernet-APL-fähige Feldgeräte und Infrastruktur-Komponenten zu liefern. Weitere Geräte werden folgen.

Ein typisches Beispiel ist der neue FieldConnex-Switch von Pepperl+Fuchs. Er ist in der Lage, das gesamte Netzwerk zu scannen und jedes vorhandene Feldgerät automatisch zu erkennen. Dabei werden auch für Profibus-PA-Instrumente die entsprechenden Device-Type-Informationen hochgeladen, ohne dass dafür ein manueller Eingriff erforderlich ist.

Dazu kommt die für Pepperl+Fuchs typische Physical-Layer-Diagnose, die konkrete Messwerte über die physikalische Ebene bereitstellt und den aktuellen Zustand über die Namur-Ampel nach NE 107 visualisiert. Außerdem erhalten die Mitarbeiter an der Engineering-Station einen ständigen Überblick über den Zustand des gesamten Netzwerks und können jederzeit bis ins Detail gehen, um eventuelle Problemursachen in der Installation schon in einem frühen Stadium zu erkennen.

Dieser erste Ethernet-APL-Switch erlaubt bereits den sicheren Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 2. Varianten mit eigensicheren Ausgängen für Geräte in Zone 0 werden in Kürze zur Verfügung stehen. Außerdem arbeitet Pepperl+Fuchs daran, längere Kabelverbindungen mit Energieversorgung über den Trunk zu ermöglichen, die sich in Zone 1 installieren lassen.

Auspacken, anschließen, fertig

Ethernet-APL ermöglicht einen Grad der Automatisierung, der im Prozessbereich bisher nicht denkbar war. Ist ein entsprechend befähigtes Feldgerät erst einmal installiert und angeschlossen, ermöglicht die durchgängige Kommunikation, dass die Softwareapplikationen den Rest so gut wie von selbst erledigen.

Die Engineering-Station kann das Instrument automatisch erkennen. Die digitale Kennzeichnung wird eingelesen und automatisch im System registriert. Die erforderlichen EDD-, GSD-, FDI- und FDT-Dateien liefert das Gerät selbst und müssen daher nicht erst mühsam im dem Web gesucht oder von einem Datenträger installiert werden. Außerdem kann die Engineering-Station autonom dafür sorgen, dass die Dokumentation und Konfiguration stets auf dem neuesten Stand gehalten werden. Damit wird die Inbetriebnahme eines neuen oder ausgetauschten Geräts nicht nur zum Kinderspiel. Dieser hohe Automationsgrad gewährleistet auch eine hohe Qualität bei Inbetriebnahme und Austausch, indem menschliche Fehler so gut wie ausgeschlossen werden.

Dazu kommt durch die hohe Bandbreite ein ganz erheblicher Geschwindigkeitsvorteil bei der Kalibrierung eines Feldgerätes. Wo früher lange Wartezeiten die Regel waren – etwa um ein Radargerät auf den Tank einzumessen –, geschieht heute alles innerhalb von Sekunden. Auch Parametersätze lassen sich innerhalb weniger Augenblicke herunterladen. Damit wird die Inbetriebnahme der Instrumentierung und damit einer Anlage erheblich beschleunigt.

Digitalisierung ist keine Frage

Während die Digitalisierung von Prozessen im Bereich der Fabrikautomation längst Wirklichkeit ist, macht Ethernet-APL diese Technologie der neuen Möglichkeiten jetzt auch unter den besonders anspruchsvollen Bedingungen der Prozessindustrie möglich. Die gute alte 4...20-mA-Technologie wird daher früher oder später Vergangenheit sein, und über die zweiadrigen Kabelverbindungen werden irgendwann nur noch digitale Signale fließen.

Doch diese Veränderung ist weit mehr als nur eine Modernisierung von teilweise seit Jahrzehnten problemlos laufenden Prozessanlagen. Wenn eine Anlage erst einmal Ethernet spricht, tun sich Möglichkeiten auf, die man sich heute nur mit viel Fantasie vorstellen kann. Prozessanlagen sind dann keine weitgehend in sich geschlossenen Systeme mehr, sondern können theoretisch weltweit kommunizieren und aus der Ferne überwacht werden. Wobei diese durchgängige Digitalisierung genau die Kernthemen anspricht, die in der Prozessindustrie schon immer im Vordergrund gestanden haben: einfaches Anlagendesign, schnelle Inbetriebnahme, minimale Ausfallzeiten und damit höhere Verfügbarkeit, höhere Flexibilität und natürlich gesteigerte Wirtschaftlichkeit.