Verfeinerte Prozesse mit Ethernet-APL

„Let the data do the work“ – das ist eine der Kernbotschaften Hannover Messe 2024, eine der weltweit größten und einflussreichsten Industriemessen. Wenn wir diesen Slogan auf die Prozessautomatisierung (PA) übertragen stellt sich die Frage: Wie können hunderte bis tausende Parameter aus komplexen Feldgeräten an die richtigen Stellen kommuniziert werden? Und wie lassen wir diese Daten für uns arbeiten?

Das Potential ist groß: Daten aus PA-Anlagen können durch erfahrene Spezialisten oder in Zukunft unter Zuhilfenahme von Künstlicher Intelligenz (KI) interpretiert werden und als Basis für Entscheidungen zur Optimierung dienen. Das können Prozessanpassungen zu einer energie- oder ressourcenschonenden Produktion sein oder Maßnahmen zur Optimierung der Produktqualität. Zusätzlich kann die Verfügbarkeit von Anlagen durch vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) erhöht werden. Basierend auf Datenmodellen und Wahrscheinlichkeiten ließen sich Geräte proaktiv ersetzen anstelle von reaktivem Troubleshooting.

Der Status Quo reicht nicht mehr

Angesichts der Vision von optimierter Produktion auf Basis effektiver Datensammlung bis ins Feld drängt sich die Frage nach der aktuellen Situation in der Prozessindustrie auf. Auch heute noch finden sich im größten Teil verfahrenstechnischer Anlagen analoge 4-20-mA-Leitungen. Erste digitale Ansätze entstanden in den 1990er Jahren mit dem HART-Protokoll, das dem analogen Stromsignal überlagert wird. Damit wurde zusätzlich zur analogen Signalauswertung auch eine digitale Kommunikation mit 1,2 KB/s möglich. Dazu kamen dann die ersten digitalen Feldbusse mit intrinsischer Sicherheit, wie Profibus PA und Foundation Fieldbus (FF). Diese vervielfachten den theoretischen Durchsatz zu und vom Feldgerät auf 31,2 KB/s.

Aber auch die Feldbusse bieten nur eine begrenzte Geschwindigkeit. Zusätzlich erfordern Netzwerkübergänge (zum Beispiel Profinet zu Profibus PA) den Einsatz eines Proxy, was einen hohen Aufwand bei Geräteintegration, Installation und Wartung zur Folge hat. Nicht zuletzt gibt es erste Bedenken hinsichtlich der Langzeitverfügbarkeit aktueller Feldbus-Geräte, da sich beispielsweise Profibus PA nicht mit ausreichend hoher Marktakzeptanz etabliert hat und Ethernet-APL hier als der logische und zukunftsträchtigere Nachfolger angesehen wird.

Die volle Leistungsfähigkeit durch Technologie-Stack-Integration nutzen

Ethernet-APL wurde speziell für den Markt der Prozessautomatisierung entwickelt, mit einem starken Fokus auf die eigensichere Stromversorgung von Geräten in den Ex-Zonen und mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10 MB/s. Unabhängig von der Übertragungsgeschwindigkeit bietet Ethernet-APL eine große Vereinfachung, indem die Kommunikation nahtlos über Level 2 Ethernet-APL Switches vom Feldgerät bis zur Anwendung erfolgt, ohne dass zusätzliche Gateways erforderlich sind. Bei den bisherigen digitalen Feldbussen fehlt dieses Prinzip der nahtlosen Kommunikation. Die oben beschriebene Proxy-Funktionalität bei diesen Feldbussen wird jedoch auch beim Übergang zu Ethernet-APL als Migrationspfad noch benötigt werden. So zum Beispiel bei Brownfield-Anwendungen, die Profibus PA verwenden.

Der aplSwitch Field PA von Softing hat diese Proxy-Funktionalität integriert. Bei der Implementierung konnte Softing auf seine langjährige Expertise im Bereich der Gateways zurückgreifen. Beim pnGate PA beispielsweise hat sich die Proxy-Funktionalität als Schnittstelle zwischen Profinet und Profibus PA ist seit vielen Jahren bewährt und konnte für den aplSwitch Field PA übernommen werden.

Mit dem aplSwitch Field PA können Anwender Profibus-PA-Geräte mit Ethernet-APL-Feldgeräten mühelos im Netzwerk kombinieren. Das ist dann wichtig, wenn die benötigten APL-Geräte für die vollständige Funktionalität der Anlage noch nicht verfügbar sind oder wenn bereits vorhandene Profibus-PA-Infrastruktur wiederverwendet werden soll. Für die reine Ethernet-APL Anbindung ohne Profibus PA ist der aplSwitch Field auch ohne die Proxy Funktionalität erhältlich.

Wie oben erwähnt, stellen die physikalischen Eigenschaften von Ethernet-APL die notwendige Basis dar. Die umfassende Integration des gesamten Technologie-Stacks, wie etwa die Unterstützung für höhere Protokolle wie Profinet und Ethernet/IP sowie die FDI-Unterstützung, ist jedoch erforderlich, um die gesamte Bandbreite der Vorteile von Ethernet-APL vollständig zu nutzen:

schnelle Installation und Parametrierung,
umfangreiche Diagnosemöglichkeiten,
schnelle Reaktion auf unvorhersehbare Ereignisse,
zuverlässige und automatisierte Dokumentation,
einfacher Austausch von Feldgeräten,
schneller Zugriff auf alle Feldgerätedaten und
Langzeitverfügbarkeit von Equipment.

Softing hat als Experte für Profinet und Kommunikationstechnologie über viele Jahre hinweg umfangreiche Expertise in diesem Bereich des Technologie-Stacks aufgebaut.

Warum ist jetzt der richtige Zeitpunkt für Ethernet-APL?

Für den Erfolg einer Technologie ist es notwendig, dass Geräte und Infrastrukturelemente in entsprechender Stückzahl und idealerweise von mehreren Herstellern verfügbar sind. Hier ist im Jahr 2024 der Wendepunkt bei Ethernet-APL erreicht, was Umfragen bei den Herstellern von Infrastrukturkomponenten und Feldgeräten bestätigen. Plug-Feste und Konformitätstest sowie Pilotprojekte mit zahlreichen Endanwendern in den letzten Jahren haben gezeigt, dass die Infrastruktur- und Feldgeräteelemente verschiedener Anbieter gut zusammenarbeiten. Mittlerweile haben Anwender eine breite Produktauswahl mit Second-Source-Optionen und können sich auf die Interoperabilität der Komponenten verlassen. Unabhängig davon laufen konkrete Analysen, um anhand von aktuellen Anwendungsfällen eine realistische Einschätzung der kommerziellen Vorteile herauszuarbeiten und damit den Mehrwert von Ethernet-APL transparent zu machen.

Die Basis für Effizienzsteigerung und Innovation

Generell gilt: Die Möglichkeit, alle relevanten Feldgerätedaten mit hoher Geschwindigkeit an übergeordnete Anwendungen oder die Cloud zu übertragen, schafft die Grundlage für eine effektive Optimierung von Prozessanlagen. Die große Anzahl an verfügbaren Daten und das schnelle Kommunizieren zwischen Feld und Anwendungen bis zur Cloud, schafft neue Geschäftsmodelle wie Predictive Maintenance und bildet die Grundlage für neue Lernmodelle mittels KI in der Zukunft. Dafür bietet Ethernet-APL eine hervorragende Basis. In Kombination mit einem Technologie Stack eröffnen sich damit heute und in Zukunft messbare Vorteile für alle Beteiligten in der Prozessautomatisierung.