Industrie 4.0 und das industrielle Internet der Dinge (IIoT) zählen zu den wichtigsten Konzepten und Technologien, die für die Zukunft in der industriellen Kommunikation stehen. Diese Zukunft erfordert eine transparente Kommunikation von der Feldebene bis hin zu einer neuen Generation mobiler und cloudbasierter Anwendungen. Einer der entscheidenden Faktoren für diese Zukunft wird ein erweitertes Ethernet mit einem Advanced Physical Layer (APL) sein.
Damit Prozessautomatisierungssysteme und die zugehörigen Kommunikationsinfrastrukturen unabhängig von Hardwareherstellern arbeiten können, müssen alle Kommunikationsprotokolle den international anerkannten Standards entsprechen. Sie müssen nicht nur in der Lage sein, über alle physikalischen Schichten hinweg zu arbeiten. Sie müssen außerdem Echtzeitprozesse unterstützen, indem sie auf Prozessdaten synchronisiert werden, einschließlich Fernzugriff auf Identifikations-, Diagnose- und Konfigurationsinformationen. Darüber hinaus müssen integrierte Safety-Anwendungen und eine redundante Konfiguration für hohe Verfügbarkeit unterstützt werden. Nicht zu vergessen die Konformität zu den international anerkannten Explosionsschutzkonzepten. APL wird das Ethernet zu einer Kommunikationsinfrastruktur machen, die selbst den hohen Anforderungen der Prozessindustrie hinsichtlich herstellerunabhängiger Zuverlässigkeit, Kompatibilität und Interoperabilität gerecht wird.
Von der analogen Historie zur digitalen Zukunft
Die Prozessautomation begann in den 1960er Jahren mit der 4-20-mA-Analogtechnik. Neben der Stromversorgung der Feldgeräte war es damit möglich, einen einzigen Mess- oder Steuerwert zu kommunizieren. Dieses Konzept ist heute noch weit verbreitet. Das 1993 initiierte HART-Protokoll ermöglichte erstmals den digitalen Zugriff auf Feldgeräte zur Identifikation, Konfiguration und Diagnose. Auch wenn heute die meisten Geräte standardmäßig mit HART-Kommunikation ausgestattet sind, gibt es doch entscheidende Nachteile, wie niedrige Übertragungsraten (1,2 kBits/s) und die Notwendigkeit zusätzlicher Geräte für die Infrastruktur und Systemintegration.
In der Fabrikautomatisierung sind Ethernet-basierte Feldnetze bereits seit Anfang der 2000er Jahre der Standard. Aber die Szene ändert sich und selbst die eher konservative Prozessindustrie zeigt sich mittlerweile an einer konsistenten und zusammenhängenden Gerätekommunikation interessiert und wechselt allmählich zu einer Ethernet-basierten Kommunikation. Im Vergleich zu herkömmlichen physischen 4-Draht- oder 8-Draht-Ethernet-Schichten, wie sie in Büroumgebungen und der Fabrikautomation verwendet werden, müssen jedoch Lösungen für verfahrenstechnische Anlagen hohen Anforderungen in Bezug auf Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Schutz in Gefahrenbereichen und einfache Handhabung gerecht werden.
Ethernet – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft
Gegenwärtig bestehen Ethernet-basierte Kommunikationstechnologien aus einer Vielzahl von Protokollen, wie Ethernet/IP, HART-IP, Modbus TCP, Profinet und anderen. Die Zukunft bringt auch neue IIoT-Protokolle wie JSON, OPC UA, um die Verbindung von Prozessdaten mit webbasierten Geräten und Cloud-Diensten zu ermöglichen. All diese Systeme kommunizieren jedoch auf der physikalischen Ebene nach den IEEE-Standards. Das bedeutet, sie nutzen eine bestens definierte Infrastruktur, die vollständige Interoperabilität mit dem bewährten und getesteten Ethernet-Standard IEEE 802.3 gewährleistet. Jede neue Lösung für die Prozessautomatisierung muss daher IEEE 802.3 entsprechen, um Kompatibilität und nahtlose Integration mit allen existierenden Protokollen und Diensten zu gewährleisten. Mit anderen Worten: Sie muss mit den bestehenden Ethernet-Protokollen, Systemen, Infrastrukturen und Topologien kompatibel sein.
Ethernet ist überall und hat sich zu einem wirklich globalen Standard für die digitale Kommunikation entwickelt. Es ist die etablierte Technologie für ein breites Anwendungsfeld – von der Heimvernetzung über die Bürokommunikation bis hin zur Fabrik- und Prozessautomation. Derzeit ist Ethernet sogar dabei, völlig neue Bereiche zu erschließen. Ein Beispiel dafür ist die Automobilindustrie, wo mobile Kommunikation und internetbasierte Dienste immer stärker in den Fokus rücken. Nicht zu vergessen die Welt der autonomen Fahrzeuge, die ebenfalls auf digitale Kommunikation angewiesen sind.
Die Evolutionäre Strategie für eine neue Zukunft
Mit dem Advanced Physical Layer (APL) steht ein neues Kapitel des IEEE-Ethernet-Standards vor der Tür. Sie bietet alle Voraussetzungen, um die Vorteile der bewährten industriellen Ethernet-Technologie in den Bereich der Prozessautomatisierung und -instrumentierung zu übertragen. Mit dieser Weiterentwicklung einer etablierten Technologie sind Prozessanlagen nicht mehr gezwungen, geschlossene Systeme zu bilden, die weitestgehend vom Rest der Welt isoliert sind. Stattdessen können sie zu einem integralen Bestandteil einer transparenten unternehmensweiten Kommunikationslösung werden, die frei von technologischen und geografischen Beschränkungen ist.
Die Entwicklung von APL ist bereits voll im Gange und stellt den nächsten logischen Schritt in der Evolution des Ethernet dar. Das Ethernet hat seit seinen frühen Anfängen bereits große Fortschritte gemacht. Wichtige Schritte waren zum Beispiel die 4/8-Draht-100/1000BASE-T-Kommunikation für Entfernungen bis zu 100 m und die Glasfaserkommunikation über 100/1000BASE-FX/SW/LE, die sogar über mehrere Kilometer reicht. APL ist der logische nächste Schritt in diesem Entwicklungsprozess. Ein Schwerpunkt von APL ist die Möglichkeit, Ethernet-basierte Feldgeräte in explosionsgefährdeten Bereichen zu betreiben. Im Jahr 2017 ist das APL-Projekt in die Phase 1 eingetreten, bei der es um 2-Draht-10BASE-T1 für die Übertragung von Kommunikationssignalen geht. APL erweitert hier den IEEE-Standard um die Definition der Stromversorgung über dasselbe Kabel und Zündschutz für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen. Dieser neue Standard wird die Anforderungen vieler Prozessanlagen erfüllen, die zuverlässige und weiträumige Installationen benötigen.
Als evolutionäre Technologie unterstützt APL jede Topologie, einschließlich der bewährten Trunk-and-Spur-Topologien, die heute in Feldbusinstallationen verwendet werden. Es ermöglicht nicht nur Trunk-Kabellängen von bis zu 1.000 m bei 10 Mbit/s Vollduplex und Spur-Längen von bis zu 200 m. Es bietet auch Eigensicherheit für stromversorgte und nicht mit Strom versorgte Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen bis Zone 0/Class 1 Div 1. Ein weiterer Aspekt der APL-Entwicklung ist die weitere Verwendung von herkömmlichen Feldbuskabeln nach Industriestandard in Kombination mit Loop-betriebenen Feldgeräten. Aus diesem Grund trägt das Projekt auch zum zukünftigen Standard IEEE 802.3cg bei.
Für Anlagenbetreiber bedeutet dieser Umstand, dass APL keine Revolution ist, sondern eine Evolution von einer Vergangenheit mit technologischen Einschränkungen zu einer neuen Dimension der Interaktion und Kommunikation. Alle vorhandenen IP-Dienste und Protokolle können ohne Einschränkungen und gegenseitige Störungen weiterhin genutzt werden. Auch die vorhandene Netzwerkinfrastruktur auf der Feldebene kann beibehalten werden. Dies spart wiederum Kosten. Gleichzeitig ist APL zukunftssicher. Somit kann jede neue IEEE-Entwicklung für Ethernet leicht von APL übernommen werden. Durch das gleiche Kabel, das auch für Profibus-PA- oder Foundation-Fieldbus-Netzwerke verwendet wird, ist ein Investitionsschutz bei Modernisierungen und Anlagenerweiterungen gewährleistet.
Gemeinsame Anstrengungen für einen neuen Standard
Für die globale Prozessindustrie ist das Bestreben, die physikalische Schicht eines Kommunikationssystems zu standardisieren, wirklich ein beispielloses und einzigartiges Projekt. Es ist daher bemerkenswert, dass das APL-Projekt von wichtigen Industrieorganisationen und von wichtigen Akteuren der Branche unterstützt wird.
Die Organisationen Profibus und Profinet International (PI) arbeiten gemeinsam mit der FieldComm Group (FCG) und der ODVA am APL-Projekt. Die neue Advanced Physical Layer wird zu einem einheitlichen, globalen Standard und alle Feldbusorganisationen werden APL in ihr Technologieportfolio aufnehmen. Industriepartner sind führende Unternehmen der Automatisierungswelt wie ABB, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega und Yokogawa. Das Projekt ist offen für zusätzliche Teilnehmer, die Teil eines der wichtigsten Schritte in der Prozessautomatisierung werden wollen. Interessierte Partner können sich gerne an die Autoren oder das PI Home Office wenden (www.profibus.com).
Roadmap zur erweiterten physikalischen Ebene
Mit APL wird das Ethernet – das am weitesten verbreitete Kommunikationssystem der Welt – auch in die Welt der Prozessautomatisierung einziehen. In Verbindung mit übergeordneten Kommunikationsprotokollen schafft das Projekt die Voraussetzungen für Initiativen wie Industrie 4.0 und ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer neuen Generation industriespezifischer IIoT-Anwendungen. 2017 gestartet, soll es bis 2021 abgeschlossen sein. Der Fokus der ersten Phase des Projekts besteht aus der Unterstützung der technischen Arbeit des IEEE zur Definition des Standards IEEE 802.3cg für 10-Mbps-2-Draht-Ethernet-Kommunikation mit einer Reichweite von bis zu 1.000 m. Dieses Projekt soll bis 2019 abgeschlossen sein.
Parallel erfolgt die Spezifikation von Explosionsschutzmethoden und Portprofilen. Dies soll im Laufe des Jahres 2018 abgeschlossen werden. Die entsprechende Spezifikation der Konformität und Tests wird für das Jahr 2020 erwartet, und die endgültige IEC-Normung ist im Jahr 2021 geplant. Bis 2020 werden alle Projektarbeiten im Zusammenhang mit der APL-Spezifikation abgeschlossen. Bis dahin werden auch Prototypen zur Verfügung stehen. Unterstützt von den großen Feldbusorganisationen wird ab 2021 ein Ethernet-basiertes Zweidraht-Ethernet-Netzwerk verfügbar sein.
APL wird zu einem Teil der Standard-Ethernet-Technologie, die den Einsatz von Standardkomponenten, die Unterstützung von Standard-IP-Diensten und Kommunikationsprotokollen wie Ethernet/IP, HART-IP und Profinet möglich machen. Ethernet APL wird das zukünftige Ethernet-Netzwerk für sämtliche Anforderungen im Bereich der Prozessautomatisierung sein.
