Ethernet-APL: Bereit für den Sprung in die Praxis?
Was lange währt, wird endlich gut – dies gilt zumindest für die Entwicklungen von Ethernet-Technologien in der Prozessindustrie. So begann R. STAHL bereits Ende der 80er Jahre mit den ersten Remote I/O-Projekten und seit ca. 2009 gibt es Lösungen, um mit Ethernet und Remote I/O in Ex-Bereiche zu gelangen (Lichtwellenleiter für Ex-Bereiche). Doch jetzt ist mit Ethernet-APL erstmalig der Zugang bis zum Feldgerät möglich (also ohne Remote I/O) und erstmalig als international standardisierte 2-Draht Lösung. Vorangetrieben wird die Entwicklung und Marktreife von Ethernet-APL durch eine Kooperation von zwölf Herstellern mit den führenden Technologie-Verbänden Fieldcomm Group (FCG), ODVA, OPC Foundation und Profibus International (PI). R. STAHL als eines der Gründungsmitglieder begleitete den Prozess seit Beginn, insbesondere in Bezug auf den Explosionsschutz.
Ohne Standards läuft nichts
Was ist der Unterschied zu den bisherigen Lösungen? Mit Ethernet-APL ist die durchgängige IP-Kommunikation von der Feldebene bis zum Leitsystem sowie die horizontale und vertikale Vernetzung ganzer Anlagen möglich. Die Technologie basiert auf dem IEEE-802.3cg-Standard und kann Entfernungen bis 1000 m bei 10 Mbit/s überbrücken und bietet gleichzeitig eine Versorgung der Feldgeräte – eine unverzichtbare Eigenschaft in den weitläufigen Anlagen der Prozessindustrie. Zudem können Feldgeräte mit der in der Branche bevorzugten Zündschutzart Eigensicherheit betrieben werden. Im APL-Projekt wird unter anderem die eigensichere Erweiterung zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen entwickelt. Angelehnt an das Ex i-Konzept für Feldbusse, FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept), wurde 2-WISE (IEC TS 60079-47:2021 Equipment protection by 2-wire intrinsically safe ethernet concept (2-WISE)) konzipiert, sodass Ethernet-Geräte unterschiedlicher Hersteller auch ohne rechnerischen Eigensicherheitsnachweis einfach zusammengeschaltet werden dürfen.
Für Geräte mit der Forderung nach höheren Bandbreiten und mehr Energiebedarf wird parallel an 100BASE-TX-IS gearbeitet. Die Arbeitsgruppe „Intrinsically Safe Ethernet Working Group“ hat sich zum Ziel gesetzt, das bereits heute verfügbare 100BASE-TX Ethernet, also 4-Draht mit einer Datenrate von bis zu 100 Mbit/s, in einer interoperablen Ex i-Ausführung verfügbar zu machen.
Der Weg bis zur Spezifikation war allerdings nicht ganz einfach. „Allen Beteiligten war klar, dass ein solches Konzept nur funktionieren konnte, wenn daraus ein internationaler Standard wird“, erklärt Fritsch. Dies erforderte eine enge und konzentrierte Zusammenarbeit. Auf IEC-Ebene war R. STAHL zum Beispiel bei der neuen Ex i-Spezifikation, der IEC TS 60069-47 „Equipment protection by 2-wire intrinsically safe ethernet concept (2-WISE)“ aktiv. Und auch beim Engineering Guide steuerte R. STAHL maßgebliche Inhalte zu den Explosionsschutz-Themen bei. „Zudem ist es unsere Aufgabe, sichere Produkte für die Installationstechnik im Feld, wie Power Switches und für die Zone 1 geeignete Ethernet-APL Fieldswitches zu entwickeln,“ ergänzt Fritsch.
Vorteile für alle
Von Ethernet-APL profitieren alle Beteiligten – Anwender und Betreiber, Hersteller von Leitsystemen und Feldgeräten sowie die Planer. So können Anwender und Betreiber damit neue Konzepte wie die NAMUR Open Architecture (NOA) oder der Open Process Automation Standard (O-PASTM) einführen. Diagnose- und Asset Management-Daten können nun in Echtzeit über große Entfernungen übertragen werden.
Für Leitsystem-Lieferanten wird die Gestaltung moderner Automatisierungsstrukturen mit Ethernet-APL ebenfalls deutlich einfacher. Damit lassen sich neue, leistungsfähige Konzepte für Prozesssteuerung, Anlagen-Diagnose und Plant Asset Management gestalten. Und Gerätehersteller können mit Bandbreiten von 10 MBit/s zusätzliche Features und Applikationen mit weiteren Kunden-Nutzen konzipieren. Als IEEE-konformes Ethernet stehen bereits viele Tools und Dienste serienmäßig zur Verfügung.
Schlussendlich vereinfacht eine durchgängige Ethernet-Infrastruktur auch die Planung, Inbetriebnahme und das Trouble Shooting für den EPC und System-Integrator. Änderungen und Modifikationen sind deutlich schneller und flexibler durchzuführen als bei den heutigen meist inhomogenen Feldinstallationen.
Zwei Technologiestränge
Für den Einsatz in der Prozessindustrie unterstützt Ethernet-APL unterschiedliche Topologien, wie die aus der Ethernet-Technologie bekannte Stern-Topologie aber auch die in Feldbusinstallationen übliche Trunk-Spur-Technologie. Die Kooperationspartner R. STAHL und Softing stellen in Kürze Produkte und Lösungen in Form von Ethernet-APL Power Switches sowie Field Switches vor, die in der Zone 1 und 2 mit eigensicheren 2-WISE-Feldgeräteanschlüssen für die Zone 0 eingesetzt werden können.
Für die Umsetzung von normalem Ethernet auf APL wurde der 4-Draht-Field Switch entwickelt. Dieser Field Switch, der auf dem 2-WISE-Konzept basiert, ist nun auf einem guten Weg und wird im zweiten Quartal 2022 die Performance- und Konformitätstests abschließen. „Derzeit führen wir ausführliche Interoperablitätstests durch, so dass im dritten Quartal die ersten Geräte in die Zertifizierung, z.B. in Bezug auf Profinet und Ex-Schutz, gehen. „Endanwender planen mit Ethernet-APL für Zone 1 und 2 bereits erste Projekte im Laufe des nächsten Jahres“, erklärt Fritsch.
Die Entwicklungen rund um die Trunk-Spur-Technologie sind herausfordernder. Bei Installation von Ethernet-APL über die Trunk-Spur-Topologie versorgt ein Power Switch das Netzwerk mit ca. 90 W und übernimmt die Umsetzung von 4-Draht-Ethernet auf die 2-Draht-Technologie. Dort werden die Field Switches angeschlossen, die über den Trunk ihre Versorgung erhalten und die restliche verfügbare Energie galvanisch getrennt in der Zündschutzart Eigensicherheit den Feldgeräten zur Verfügung stellen. Jeder Trunk, Power Switch zu Field Switch oder Field Switch untereinander kann dabei bis zu 1000 m lang sein, die Spurs maximal 200 m. Die Herausforderungen liegen im Detail, wie Fritsch erklärt: „Der Power Switch ist noch nicht ganz fertig, da hier eine enorme Komplexität dahinter steckt. Weniger auf den Ex-Schutz bezogen, sondern weil viele netzwerkspezifischen Funktionen mit einbezogen werden müssen. Dazu gehört etwa die Profinet-Diagnose, Topologieerkennung und vieles mehr.“
Diagnose soll einfacher werden
Überhaupt gestaltete sich das Diagnosethema komplexer als anfangs gedacht. „Früher genügte ein Multimeter, jetzt benötigt man eigene Diagnoseroutinen“, so Fritsch. „Mit der klassischen 4…20 mA Installation bekommt man allerdings maximal zwei Diagnosemeldungen: entweder es funktioniert alles oder eben nicht. Über Ethernet-APL erfährt man nun, was genau und warum etwas nicht läuft – bis hin zu Empfehlungen für die Fehlerbehebung.“ Der große Vorteil für den Anwender: Neben den verbesserten Auswertemöglichkeiten eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Ferndiagnose.
Aufgaben der Zukunft
Noch gibt es einige Herausforderungen zu meistern, die Umsetzung und Bescheinigung durch die lokalen (nationalen) Zertifizierungsbehörden, etwa in China, aber auch in den USA, die einen etwas anderen Ansatz im Explosionsschutz verfolgen. Dies kann zu Verzögerungen führen, wie Fritsch anhand eines früheren Beispiels ausführt: „Die Technologie Optisch-Inhärent-Sicher ist seit 20 Jahren auf dem Markt, dennoch gab es in Süd-Korea lange keine Behörde, die eine entsprechende Zertifizierung durchführen durfte. Mit der Folge, dass diese Technologie dort erst spät eingeführt wurde.“ Weiter sieht Fritsch noch offene Fragen bei der Integration von Nicht-Ethernet-APL-Geräten und in Bezug auf Kabellängen oder Temperaturgrenzen. Hier werden Tools zur Berechnung der nicht-linearen Zusammenhänge benötigt.
Der vielleicht wichtigste Aspekt: Technologie lebt von Vielfalt. Mit einer Ethernet Infrastruktur alleine lässt sich noch keine digitale Anlage bauen. Hier erfordert es u.a. geeignete Feldgeräte und geeignete Kommunikationsprotokolle. „Beim Ethernet-APL Projekt ist es zum ersten Mal gelungen, sowohl die Hersteller als auch die Standardisierungsorganisationen zusammen zu bringen. Nun müssen noch mehr Hersteller in die Entwicklung einsteigen. Mit 12 Herstellern kann man keine Anlagen bauen“, mahnt Fritsch. Anwender sollten sich auf jeden Fall jetzt mit der Technologie beschäftigen. Schließlich müsse man quasi zwei Technologien neu lernen, den Umgang mit digitalen Kommunikationsprotokollen und den Ethernet-Technologien. „Wer nun beispielsweise mit Profibus PA startet, kann in wenigen Jahren ohne Weiteres auf Ethernet-APL umsteigen. Die Technologie gibt die Flexibilität her. Auch mit Modbus TCP-Anwendungen kann man auf Ethernet-APL umsteigen, da das gleiche Netzwerk genutzt wird“, beschreibt Fritsch mögliche Wege. Seiner Meinung nach ist es lediglich wichtig, dass man sich vorher für eine Struktur – also entweder die Sterntopologie oder die Trunk Spur-Technologie – entscheidet.
Wir haben in den technischen Spezifikationsarbeiten unsere Erfahrungen eingebracht und achten darauf, dass der Anwendernutzen und die Praxistauglichkeit im Vordergrund der Entwicklungen steht.
Ausblick
Ethernet-APL ist aufgrund steigender Mengen an Prozessdaten, die über teils große Entfernungen zu übertragen sind, unabdingbar für eine zukunftsfähige Prozessautomatisierung. Entscheidender Unterschied zu früheren Technologie-Ansätzen ist die Bereitschaft vieler Unternehmen, sich auf diese Technologie einzulassen. „Im Moment arbeiten wirklich alle – Hersteller und Betreiber – an dem Thema“, bestätigt Fritsch. „Neue Technologien sind jedoch immer Momentaufnahmen. Um neue und gute Lösungen zu entwickeln, muss man damit arbeiten“, ermuntert Fritsch Anwender sowie Hersteller und verweist abschließend auf die wenig spannende Alternative – weiter mit einer veralteten 4…20 mA-Technologie zu arbeiten.
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