Mehr Anlageneffizienz durch Ethernet-APL

Sichere Digitalisierung bis in die Feldebene

6. April 2022, 19:08 Uhr | Stefan Ditting
Das ISO/OSI-Schichtenmodell
Das ISO/OSI-Schichtenmodell
© HIMA Paul Hildebrandt GmbH

Der Physical-Layer-Standard Ethernet-APL bringt die Vorteile der digitalen Kommunikation auf die Feldebene von Prozessanlagen. Welche Eigenschaften hat die neue Technologie nun, welche Herausforderungen bringt sie mit sich, und wie schneidet sie gegenüber den bisherigen Technologien ab?

In der Prozessautomatisierung war die Dezentralisierung mit Remote I/O ein wichtiger Schritt hin zu mehr Flexibilität: Daten unterschiedlicher I/O-Typen lassen sich vor Ort einsammeln und verteilen. Die Anbindung an übergeordnete Stellen zur Verarbeitung erfolgt über digitale Netzwerke. Dieses Konzept wurde im Laufe der Jahre weiter verfeinert. So gibt es Remote-I/O-Konzepte für Betriebsfunktionen, sichere Automatisierung, flexibel konfigurierbare I/O und Zugang zum Ex-Bereich. Diese Konzepte sind jedoch oft überdimensioniert und tauschen lediglich Prozesswerte mit der Feldebene aus.

Mit HART wurde ein anderer Weg eingeschlagen. Das Kommunikationsprotokoll nutzt die bestehenden analogen Signale und kommuniziert zusätzlich aufmodulierte Daten mit den direkt angeschlossenen Geräten der Feldebene. Dies hat wiederum Nachteile wie die reduzierte Genauigkeit der Analogwerte, einen immer noch hohen Verdrahtungsaufwand und das Fehlen von Eigenschaften für die funktionale Sicherheit.

Eine gute Kombination aus den beiden vorgestellten Konzepten, also eine vollständige digitale Kommunikation mit direktem Netzwerkanschluss der Sensorik und Aktorik in der Feldebene, wäre demzufolge die ideale Lösung. Ethernet-APL wurde genau mit dieser Zielrichtung entwickelt; es ermöglicht eine vollständig durchgängige digitale Kommunikation bis in die Feldebene der Prozessautomatisierung.

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Die Aufgaben von Ethernet-APL

Stefan Ditting ist Produktmanager bei HIMA.
Stefan Ditting ist Produktmanager bei HIMA.
© HIMA Paul Hildebrandt GmbH

Moderne Kommunikationssysteme sind gemäß dem ISO/OSI-Schichtenmodell in mehrere Schichten aufgeteilt. Dabei stellt jede Schicht unterschiedliche Fähigkeiten bereit und lässt sich gegen andere Technologien auf der gleichen Schicht austauschen. Die unterste Schicht ist die Bitübertragungsschicht (Physical Layer). APL steht für Advanced Physical Layer und beschreibt wie „Fast-Ethernet“, „WLAN“ oder „Lichtwellenleiter“ die physikalische Übertragung von Daten. Jede dieser Anbindungen ist für einen speziellen Einsatzbereich konzipiert. Ethernet-APL vereint einige wichtige Eigenschaften für die Prozessautomatisierung wie unter anderem:

- verpolungssicherer Zweidrahtanschluss (SPE, Single-Pair-Ethernet)
- mit 10 Mbit/s pro Verbindung mehr als 300x schneller als bestehende Feldbuslösungen
- Vollduplex-geswitchtes Ethernet ermöglicht verfügbare Topologien wie Stern oder Ring.
- Entfernungen bis 1000 m bei voller Datenqualität
- Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ermöglichen einfaches Netzwerkdesign und eine einfache Netzwerkwartung.
- Daten und Energieübertragung auf der gleichen Leitung
- Kommunikation in den explosionsgeschützten Bereich (bis Ex-Zone 0 Div.1)
- robustes Design für industrielle Umgebung
- standardisiert und damit zukunftssicher

Die Austauschbarkeit der ISO/OSI-Schichten ermöglicht die einfache Konvertierung von Fast-Ethernet auf Ethernet-APL. Pepperl+Fuchs demonstriert dies etwa mit einem Ethernet-APL-Switch, der als Medienkonverter von Fast-Ethernet nach Ethernet-APL eingesetzt wird.

Für die Bitübertragungsschicht spielt es keine Rolle, welche übergeordneten Schichten in der Kommunikation involviert sind und welche Daten ausgetauscht werden. Bekannte übergeordnete Schichten sind beispielsweise IP und TCP/UDP. Auch diese übergeordneten Protokolle sind austauschbar, wenn sie sich auf der gleichen Schicht befinden. Erst in der Anwendungsschicht bekommen die Daten auch eine Bedeutung. Ein weit verbreitetes Protokoll einer höheren Schicht in der Automatisierung ist Modbus, das TCP oder UDP sowie Fast-Ethernet oder Ethernet-APL nutzen kann. Für universelle Automatisierungslösungen sind jedoch modernere Protokolle mit einem weiteren Einsatzbereich deutlich interessanter.

Ein Beispiel für ein weit verbreitetes, praxiserprobtes und offenes Industrieprotokoll ist Profinet. Es bietet neben vielen weiteren Vorteilen auch das offene Protokoll Profisafe für die funktionale Sicherheit an, das einen Black-Channel zwischen einem Host und einem Device aufbaut. Potenzielle Fehler dazwischen liegender Kommunikationsschichten können erkannt werden. Somit ist es möglich, Profinet und Profisafe durch die Austauschbarkeit der unterlagerten Schichten sowohl über Fast-Ethernet als auch via Ethernet-APL zu übertragen.

Technologisch tritt Ethernet-APL an, um bestehende 4-bis-20-mA-Lösungen sowie Remote I/O zu ersetzen. Dies ist ein großes Versprechen und erfordert bei Herstellern und Anwendern ein Umdenken in der Anwendung.

Testaufbau bei BASF

Testaufbau bei BASF: Die weltweit erste SIL-3-Kommunikation über Ethernet-APL
Testaufbau bei BASF: Die weltweit erste SIL-3-Kommunikation über Ethernet-APL
© HIMA Paul Hildebrandt GmbH

BASF in Ludwigshafen hat ein voll funktionsfähiges Netzwerk mit Ethernet-APL-Komponenten aufgebaut, um praktische Erfahrungen zu sammeln. In diesem Testaufbau kommt auch ein Prototyp mit Ethernet-APL, Profinet und Profisafe zum Einsatz. Dies ist weltweit die erste voll funktionsfähige SIL-3-Kommunikation via Ethernet-APL. Wie oben beschrieben soll die konkrete Anbindung hier auf zwei Schichten betrachtet werden:

Erstens: Die physikalische Anbindung erfolgt mittels Fast-Ethernet von der HIMA-Sicherheitssteuerung zum Pepperl+Fuchs-Ethernet-APL-Switch. Sie wird in gewohnter Weise mit einem Ethernetkabel mit RJ45-Steckern ausgeführt. Von dort geht es weiter via Ethernet-APL. Die Verbindung ist mit einer Zweidraht-Leitung ausgeführt, die an beiden Seiten mit Schraubklemmen aufgelegt ist. Der Sensor von Endress+Hauser lässt sich nun mit Energie und Daten versorgen.

Zweitens: Die logische Anbindung, also wie die Daten ausgetauscht werden und welche Bedeutung sie haben, geschieht über Profinet und Profisafe. In diesem Fall tauscht die HIMA-Sicherheitssteuerung direkt mit dem Sensor von Endress+Hauser Daten in digitaler Qualität über Profinet und Profisafe aus. Somit ist sichergestellt, dass die Daten korrekt, unverfälscht und mit hoher Genauigkeit aus dem Sensor in die verarbeitende Einheit gelangen.

Vergleich zu bisherigen Technologien

Die Vorteile der Kombination Ethernet-APL mit Profinet und Profisafe gegenüber bisherigen Technologien (4-20 mA, HART, Remote I/O, Feldbusse) sind folgende:

4-bis-20-mA-Verkabelung: Vor allem bei der Übertragung sicherheitsrelevanter Daten ist derzeit die 4-bis-20-mA-Schnittstelle in der Prozessautomatisierung dominant. In puncto Anschlusstechnik hat Ethernet-APL gegenüber der 4-bis-20-mA-Technik den Vorteil, dass mit einem einzelnen Kabel problemlos eine Verbindung über fast beliebige Distanzen ins Feld aufgebaut werden kann. Wenn eine erhöhte Verfügbarkeit nötig ist, lässt sie sich mittels eines Rings bereitstellen. Der Verdrahtungsaufwand ist mit Ethernet-APL deutlich geringer als bei 4 bis 20 mA. Des Weiteren entfällt eine Rangierebene, und bei Anlagen im Ex-Bereich werden die Ex-Trenner durch den APL-Switch ersetzt. Damit wird zusätzlich Schaltschrankraum eingespart.

4-bis-20-mA-Genauigkeit: Ein Nachteil einer 4-bis-20-mA-Schnittstelle ist, dass Signale vom Sensor zur Sicherheitssteuerung mehrfach zwischen analog und digital gewandelt werden müssen und ein störanfälliger Analogwert übertragen wird. Diese Ungenauigkeit lässt sich durch eine höher auflösende Analog-Digital-Wandlung in der Steuerung nicht kompensieren. Aus diesem Grund sind Sicherheitsreserven einzuplanen.

In modernen Messumformern werden die intern zur Verfügung stehenden Daten jedoch ohnehin digital bearbeitet. Die Daten können bei digitaler Kommunikation unverfälscht und mit höherer Genauigkeit zur Verfügung gestellt werden. Die Sicherheitsreserven lassen sich somit reduzieren, und die Anlage lässt sich näher am Limit betreiben. Je nach Prozess kann sich das in höherem Output, geringerem Energiebedarf oder besserer Qualität des zu produzierenden Guts bemerkbar machen.

4-bis-20-mA-Informationsgehalt: Der Informationsgehalt von 4 bis 20 mA ist eher gering, und der Wert muss immer in der verarbeitenden Einheit interpretiert werden. Des Weiteren liegt der gültige Bereich für Prozesswerte zwischen 4 mA und 20 mA. Daraus resultiert, dass ein Wert über 20 mA kein gültiger Prozesswert ist und einen Fehlerzustand anzeigt. Das bedeutet jedoch auch, dass entweder ein Prozesswert oder ein Fehler angezeigt wird.

Bei digitaler Übertragung lassen sich mehrere Werte wie Prozesswert und Zustand des Feldgeräts transferieren. Wenn das Feldgerät Wartungsbedarf feststellt, kann dies in dem digitalen Datensatz mitgeteilt werden. Die Anlage lässt sich dann bis zur Durchführung einer präventiven Wartung weiter betreiben.

4 bis 20 mA mit HART: Wie oben beschrieben, werden bei HART auf das analoge Signal digitale Daten moduliert. Neben dem Prozesswert werden somit Zusatzinformationen wie etwa der Zustand eines Feldgeräts übertragen. Die Übertragung mittels HART ist aber sehr langsam und stellt wenig Daten bereit. Zudem beeinträchtigt sie die Genauigkeit des Prozesswerts. Die zusätzlichen Daten lassen sich auch nicht für sicherheitstechnische Anwendungen verwenden.

Bei einer digitalen Anbindung mit Ethernet-APL und Profinet dagegen lassen sich schnell große Datenmengen bereitstellen. Mit Profisafe sind die Informationen direkt für die Sicherheitstechnik verwendbar. Bei Differenzdruckmessungen etwa sind sogar zusätzliche Prozesswerte (beide Drücke) sicherheitstechnisch auswertbar. Auch die Übertragung von Maßeinheiten ist möglich, was eine Interpretation der Daten in der Sicherheitssteuerung überflüssig macht, denn sie bekommt die Informationen direkt aus dem Feld.

Eine zentrale Konfiguration und Inbetriebnahme ist mit der HART-Lösung und der Ethernet-APL-/Profinet-Lösung möglich. Ethernet-APL bietet jedoch wegen der schnelleren Übertragung deutlich umfangreichere Möglichkeiten.

Remote I/O mit oder ohne flexible I/O: Remote I/O, egal ob mit oder ohne flexible I/O, haben gegenüber der 4-bis-20-mA-Lösung den Vorteil der vereinfachten Verkabelung und damit meist auch einer flexibleren und einfacheren Planung. Am Ende verlegen sie aber nur die I/O in das Feld und sind immer noch 4-bis-20-mA-Schnittstellen. Der geringere Informationsgehalt und die Ungenauigkeit der Prozesswerte entsprechen daher (fast) der direkten 4-bis-20-mA-Lösung. Je nach Ausführung sind auch der Hardware-Overhead und der Platzbedarf bei Ethernet-APL deutlich geringer als bei Remote I/O.

Feldbussysteme: Feldbussysteme wie Profibus stellen einen ersten Ansatz dar, die digitale Kommunikation in der Feldebene zu etablieren. Zur Verwendung kommen hier meist serielle Verbindungen. Feldbusse haben den Nachteil, im Vergleich zu Ethernet-APL sehr langsam (Faktor 300) und recht fehleranfällig zu sein.

Ethernet-APL: Zukunftsfähigkeit und Herausforderungen

Moderne Ansätze der Prozessautomatisierung profitieren von der Erweiterung leistungsfähiger Netzwerke ins Feld mit Ethernet-APL. Konzepte wie NOA (Namur Open Architecture), MTP (Modular Type Packages), moderne AMS (Asset Management Systems) oder auch visionäre Ansätze wie „Control in the field“ können ihr Potential jedoch erst entfalten, wenn Leistungsfähigkeit und Informationsgehalt aus dem Feld deutlich zunehmen.

Selbstverständlich bringen neue Technologien neue Herausforderungen. Für minimale Komplexität bei maximaler Kosteneffizienz sind möglichst alle Feldgeräte einer Anlage durchgängig über Ethernet-APL zu integrieren. Demzufolge sollte das gesamte Sensorik- und Aktorik-Portfolio für die Betriebs- und die Sicherheitsfunktionen in der Feldebene zur Verfügung stehen.

Die Anbindung eines einzelnen digitalen Ein- oder Ausgangs ist derzeit aus wirtschaftlicher Sicht noch nicht sinnvoll. An dieser Stelle haben Remote I/O durchaus ihre Berechtigung. Denn sie lassen sich im gleichen Netzwerk einbinden, auch wenn andere Protokolle auf höheren Schichten verwendet werden. Der Grundsatz sollte dabei sein: Verdrahtung wo nötig, Vernetzung wo möglich.

Auch das Thema Security sollte von Anfang an mit betrachtet werden. Ethernet-APL ist lediglich ein Physical Layer, so dass auch die Security-Konzepte greifen, die sowohl in der Normung (IEC 62443) als auch in den Nutzerorganisationen erarbeitet werden.

Mehrwert mit Ethernet-APL

Ethernet-APL qualifiziert sich sowohl für neue (Greenfield) als auch für bestehende Anlagen (Brownfield). Die genannten Vorteile beziehen sich auf technische Eigenschaften. Sie lassen sich je nach Anwendung jedoch noch deutlich weiter fassen.

Erfahrungsgemäß sind die Anforderungen je nach Anlage individuell verschieden. Unterschiedliche Feldgeräte eignen sich für unterschiedliche Anwendungen. Durch die Offenheit der Schnittstellen und die damit gewährleistete Kompatibilität und Interoperabilität wird es möglich, die jeweils besten Feldgeräte ihrer Klasse zu verwenden (Best of Breed). Die Definition für „beste“ wird aber von Anlage zu Anlage unterschiedlich sein. So kann für die eine Anlage hohe Genauigkeit, für die andere hohe Geschwindigkeit oder lediglich der Kostenfaktor entscheidend sein.

Durch die Offenheit von Ethernet-APL in Kombination mit Profinet/Profisafe verbessert sich auch die Ersatzteilsituation, weil Alternativgeräte oder Nachfolgeprodukte leichter eingesetzt werden können. Die bereits digital zur Verfügung stehenden Informationen sind problemlos via OPC UA an höhere Ebenen weiterleitbar.

HIMA-Ansatz: Independent Open Integration

Die flexible HIMA-Safety-Plattform bietet ein vollständiges Portfolio für Lösungen mit hohem Anspruch an die funktionale Sicherheit und Verfügbarkeit. Sie ermöglicht sowohl zentrale als auch hocheffiziente dezentrale Lösungen. Die sicherheitsgerichtete Kommunikation zwischen den Sicherheitssteuerungen und zu den Remote I/O erfolgt bei dezentralen Lösungen über das proprietäre Safe-Ethernet-Protokoll von HIMA.

Die Sicherheitssysteme unterstützen alle gängigen Kommunikationsmöglichkeiten, unter anderem OPC UA und Profinet. So lässt sich diese Safety-Plattform flexibel mit den führenden Prozessleitsystemen kombinieren. Ethernet-APL ermöglicht jetzt erstmals die effiziente, digitale Anbindung sicherer Feldgeräte. HIMA nennt dieses Konzept „Independent Open Integration“: Es ermöglicht Anlagenbetreibern, ihre individuelle Lösung zu realisieren.


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