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Der Advanced Physical Layer für Ethernet, kurz Ethernet-APL, überbrückt die heute noch bestehende Klamm zwischen Leittechnikraum und Feld in einer Prozessanlage. Ethernet-APL definiert alle wesentlichen Eigenschaften hierzu: lange Kabelwege, Stromversorgung, Datenraten von 10 Mbit/s und Explosionsschutz mit Eigensicherheit. Die Zweidrahtleitung ist für ihre Robustheit geschätzt und etabliert.
Die Motivation
Eine auf das Feld exakt passende Physik für Ethernet ist die notwendige Datenautobahn, um die Digitalisierung bis dorthin vorzutreiben. Diese Physik ermöglicht den von Anwenderverbänden geforderten barrierefreien Zugang, der es ihnen erlauben wird, diesen Bereich, der für die Betreiber kostenintensiv und deswegen für eine Digitalisierung attraktiv ist, effektiver zu betreiben.
Es ist das Ziel des APL-Projekts, eine Kooperation von zwölf namhaften Lieferanten und vier Anwender- und Standardsorganisationen, diesen einen Übertragungsweg auf die Bedürfnisse der Prozessindustrie zuzuschneiden und so diese eine Datenautobahn zu etablieren. Gemeinsam definiert fließt Ethernet-APL in international gültige Normen ein. Die Kommunikation ist bereits als 10BASE-T1L im bekannten IEEE-802-Standard veröffentlicht.
Der „Community Draft for Vote“ für den Explosionsschutz mit Eigensicherheit wurde ebenfalls veröffentlicht. Eine Verabschiedung durch die International Electrotechnical Commission (IEC) ist damit so gut wie gewiss. Dieser Standard gewährleistet die Kompatibilität von Ethernet-APL-Teilnehmern, die auch Knoten genannt werden.
Alle anderen Definitionen sind ebenfalls weit fortgeschritten. So wird die Technologie für alle Marktteilnehmer zugängig.
Revolutionär neu und dennoch vertraut
Ethernet-APL geht über die Definition der Kommunikation nach IEEE-Standard weit hinaus. Ethernet-APL definiert alle Eigenschaften: Zweidrahtleitung, steckbare Klemmen und verpolungssichere Geräte gewährleisten die Einfachheit im Umgang sowie bei der Installation. Eine hohe Festigkeit gegen elektromagnetische Störungen, Blitzschutz und der anwenderfreundlich gestaltete Explosionsschutz sorgen für Interoperabilität.
Die Arbeitsgruppen definieren aktuell Tests, nach denen alle Geräte zertifiziert werden. Diese Definitionen und die bei den Anwenderorganisationen in der Entwicklung befindlichen Prüfungen bilden die Basis für Kompatibilität.
Ethernet im Feld bietet mehr Messwerte, präzisere Übertragungstechnik sowie den parallelen Zugang von mehreren Systemen oder Bedienstationen, da Ethernet verschiedene Protokolle gleichzeitig transportieren kann. Ethernet ermöglicht datengestütztes Arbeiten für alle Beteiligten einer Prozessanlage. Im Engineering ersetzen Switches die früher notwendigen Netzübergänge und Gateways – die Zuordnung der Daten am Protokollübersetzer und der damit verbundene Planungs- und Konfigurationsaufwand entfällt.
Der Betreiber kann Daten von Steuerungs- und Wartungsstationen automatisch mit Feldgeräteinformationen anreichern. Digitale Daten sind höher aufgelöst. Diese ermöglichen in Kombination mit Konfigurations- und Diagnosedaten Erkenntnisse über die Zustände von Geräten und Prozessen und so eine präzisere Führung der Anlage sowie eine vorausschauende Instandhaltung.
Die Infrastruktur
Die Installation muss an die Bedingungen aller Arten von Anlagen anpassbar sein. Der APL-Switch bildet hierfür das Kernelement, indem er die Verbindung zur Instrumentierung herstellt und die Daten transparent und barrierefrei transportiert. So können Daten auf Wunsch bis in das ERP-System übertragen werden. Sie unterstützen Fast Ethernet oder Gigabit und lassen sich in jede überliegende Netzwerkarchitektur, optional auch mit Redundanz, einbinden. Die Geräteanschlüsse mit bis zu 200 m Länge können mit Eigensicherheit in jede explosionsgefährdete Zone oder Division führen.
Kabellängen bis 1.000 m ermöglicht in Zukunft der Power Switch mit hoher Speiseleistung in Kombination mit bis zu drei Trunk-gespeisten APL-Field-Switches. Diese Variante entspricht der heute bei Feldbusinstallationen bekannten und wegen ihrer Einfachheit und Widerstandsfähigkeit geschätzten Topologie mit Haupt- und Stichleitungen, genannt: Trunk-und-Spur-Topologie. Alle oben genannten Eigenschaften gelten hier ebenso.
Klarer Migrationspfad
Für Modernisierungs- und Migrationsprojekte bietet Ethernet-APL erstmals einen Lösungsweg. Der bekannte Kabeltyp A kann weiter verwendet werden.
Ein besonderes Merkmal bietet der Pepperl+Fuchs Field Switch. Das Feldgerät kann wahlweise mit den Feldbusprotokollen Profibus PA oder Profinet kommunizieren. Der Switch erkennt die vom angeschlossenen Teilnehmer gesendeten elektrischen Signale und Protokolle und wandelt diese passend in Daten für das Leitsystem um. Davon profitieren Early Adopter, wenn in der Anfangsphase dieser Technologie noch nicht alle Geräte mit APL-Anschluss verfügbar sind.
Ähnliches gilt bei einer Anlagenmodernisierung, bei der es die Investition in die Instrumentierung zu schützen gilt. Die Techniker tauschen oder ersetzen Geräte nur bei Bedarf Zug um Zug.
Endanwender wünschen sich außerdem, dass sicherheitsgerichtete Signale per Ethernet übertragen werden können. Hier kann sich Ethernet-APL als „Enabler“ erweisen. Die Protokolle bieten dafür bereits Funktionen in der Kommunikation, die sich mit der APL-Technologie bald in Feldgeräten finden könnte. So kann die gleiche Infrastruktur für Prozess- und für Sicherheitssignale aufgebaut werden.
Die Übertragung zwischen Sicherheitssteuerung und Feldgeräten ist SIL 3, so man für die Infrastruktur separate Betrachtungen durchführen muss. Hierzu dient das Konzept des „schwarzen Kanals“, welches die Kapselung für die Daten definiert und diese in ein „normales“ Telegramm überträgt – eine erhebliche Vereinfachung für Planer, Betreiber und Hersteller.
Fazit
Ethernet-APL bietet einen hohen Nutzen für alle, die an Prozessanlagen beteiligt sind. Es definiert alle Eigenschaften, die für einen zuverlässigen Betrieb notwendig sind.
Pepperl+Fuchs bringt in diese kollaborative Entwicklung seine jahrzehntelange Erfahrung in Form von Patenten, Wissen und Mitarbeit in Arbeitskreisen ein – für ein robustes, modernes Ethernet im Feld der Prozessanlage. Ethernet-APL wird dieses Jahr marktreif.
