Um den weithin akzeptierten Standard Ethernet auch für das Feld innerhalb von Prozessanlagen realisieren zu können, muss es Anforderungen wie lange Kabelwege, Robustheit und Einfachheit der Installation erfüllen. Der Explosionsschutz erfordert darüber hinaus eine physikalische Schicht mit Eigensicherheit, die bereits im Design-Prozess mitgedacht werden muss. Der Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) ist daher ein Single Pair Ethernet (SPE), das auf IEEE- und IEC-Normen basiert und für diese Anforderungen ausgelegt ist. Die Zündschutzart Eigensicherheit ist bereits ein integraler Bestandteil dieser Technologie.
Viele Teilnehmer übertragen kleine Datenmengen
Die Kommunikation der Feldgeräte erfolgt bei Ethernet-APL über schnelle Verbindungen, deren physikalische Eigenschaften speziell auf die Prozessautomation zugeschnitten sind. Die Instrumentierung in der Prozessanlage stellt eine große Anzahl von Teilnehmern dar, die jeweils nur sehr kleine Datenmengen übertragen müssen, also Messwerte sowie Diagnosen und Alarme. Erste Massentests zeigen, dass selbst ein voll mit mehr als 200 Feldgeräten bestücktes Netzwerk auf dem Ethernet-Backbone, der die Feldebene mit dem Leittechnikraum verbindet, nur eine geringe Auslastung verursacht. Das sind gute Voraussetzungen, die es den Netzwerkarchitekten ermöglichen, übersichtliche Strukturen zu planen.
Alle Informationen per Smartphone
Grundsätzlich ist Ethernet-APL damit genau die passende Technologie um die barrierefreie, digitale Kommunikation zu ermöglichen, die der Anwender heute an Komfort erwartet. Also eine Plattform der Zukunft, die die nahtlose Integration aller Anlagenteile in ein einziges System gewährleistet – mit standardisierten Tools für Installation, Fehlersuche und vereinfachter Diagnose. Die Anwender können so von datengesteuerten Anwendungen profitieren, die von stationären und mobilen Geräten aus zugänglich sind. Im Idealfall also der Zugriff auf alle Informationen direkt über das Smartphone.
Der aktuelle Stand der Entwicklung
Die hohe Akzeptanz von Ethernet im Büro und in der diskreten Fertigung lässt erwarten, dass Ethernet-APL das Netzwerk der Wahl für das Feld innerhalb von Prozessanlagen werden wird. Die bereits 2021 abgeschlossenen Standardisierung und Grundlagenentwicklung wurde von den Nutzerorganisationen wie der Fieldcomm Group, OPC Foundation, ODVA, PI International sowie wichtigen Akteuren der Branche unterstützt. Aktuell entwickeln beispielsweise große Ausrüster Feldgeräte und Infrastruktur basierend auf Ethernet-APL. Viele Anwender zeigen Interesse und planen die ersten Anlagen mit dieser bahnbrechenden Technologie. Alle Standards sind für Hersteller und Anwender frei zugängig und werden über die Nutzerorganisationen zur Verfügung gestellt. Deren bereits erarbeitete Konformitätstests, die gegenseitig anerkannt werden, sichern ein hohes Maß an Interoperabilität. Sowohl Hersteller als auch Anwenderorganisationen wie PI, ZVEI und NAMUR arbeiten Hand in Hand bei der Beschreibung von Anwendungsszenarien, um eine gute fachliche Praxis zu definieren. Den Organisationen sollen so Leitfäden und Schulungsempfehlungen an die Hand gegeben werden, die den Anwender beim Einsatz der Technologie helfen. Aktuell laufen Netzwerk-Tests mit maximaler Feldgerätezahl, Ring-Redundanz und redundanten Controllern. Die ersten Ergebnisse sind dabei vielversprechend.
Die konkreten Vorteile von Ethernet-APL
Da Ethernet-APL nur eine physikalische Schicht ist, kommen Ethernet-basierte industrielle Protokolle durchgängig bis zum Feldgerät zum Einsatz. Es entfallen Gateways zur Protokollkonvertierung, die in den heutigen modernen Anlagen noch allgegenwärtig sind. Das vereinfacht Engineering sowie Konfiguration und Wartung dieser Geräte erheblich. Damit wird das Handling deutlich komfortabler und das Fehlerrisiko reduziert. Hinzu kommt, dass die Technologie parallel den Zugriff auf die kompletten Gerätedaten ermöglicht. Moderne Feldgeräte erfassen mehrere Prozesswerte sowie eine Vielzahl wertvoller Zusatzdaten. Damit reduziert sich nicht nur die Anzahl der benötigen Geräte sondern auch die jeweilige Installationstechnik im Rohr. Ein erheblicher Kostenfaktor, der bereits bei der Anlagenplanung realisierbar ist. Mit Ethernet-APL können Anwender die Zusatzdaten in Echtzeit und im vollen Umfang nutzen. So lässt sich der Zustand der Komponenten zentral überwachen und der Wartungsbedarf frühzeitig erkennen. Ungeplante Stillstände werden durch vorausschauende Instandhaltung verhindert und die Anlagenverfügbarkeit signifikant erhöht.
Pluspunkt: komfortables Handling
Ein weiterer entscheidender Pluspunkt ist die Expertise: Ethernet-APL basiert auf über 30 Jahren Erfahrung mit digitaler Kommunikation, kombiniert mit den modernen Digitalisierungs- und Explosionsschutzkonzepten von heute. Da Ethernet selbst bereits seit Jahren bekannt ist, ist auch das entsprechende Fachwissen zu Netzwerkplanung, -aufbau und -instandhaltung vielerorts bereits vorhanden. Nur die auf die Prozesstechnik ausgelegte Physik ist neu, was ein komfortables Handling der Technologie sicherstellt.
Weiteres Plus: weltweit zertifizierbar
Der Einsatz von Ethernet-APL ist auch in Non-Ex-Bereichen überall dort sinnvoll, wo es wegen rauer Umgebungsbedingungen erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Feldgeräte gibt. Die Elektronik ist bei Auslegung mit eigensicherem Explosionsschutz 30 Prozent überdimensioniert. Darüber hinaus sind auch die weltweit flexiblen Einsatzmöglichkeiten ein wichtiger Pluspunkt. Auf Basis der etablierten IEEE- und IEC-Standards, erlaubt die Technologie eine Kommunikation, die in jeder Region der Welt zertifizierbar ist. Durch die Prüfung und Zertifizierung von Produkten wird zudem die Interoperabilität sichergestellt, sodass selbst Geräte unterschiedlicher Hersteller problemlos zusammen funktionieren.
Das sollten künftige Anwender jetzt tun
Um für den künftigen Einsatz von Ethernet-APL frühzeitig die Weichen zu stellen, ist jetzt der Zeitpunkt gekommen, sich mit dieser Zukunftstechnologie vertraut zu machen. Switches und Infrastruktur sowie erste Feldgeräte sind im Markt bereits verfügbar. Anwender sollten daher anhand von Richtlinien, aktuell laufenden Diskussionen, neuesten Erkenntnissen und Arbeitsgruppen bereits jetzt eine passende Vorgehensweise für ihr Unternehmen festlegen. Gerätehersteller für die Prozessautomation sollten die Kommunikationsinfrastruktur und industriellen Protokolle ihrer Produkte erweitern. Und Planer im Anlagenbau können bereits jetzt multifunktionale Feldgeräte einsetzen, um später erhebliche Kosten bei der Instrumentierung zu sparen.
