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CT-Trendbericht: Ethernet im Prozess

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04.06.2008 Ein einheitliches und durchgängiges Industrial Ethernet-Netzwerk um Prozessanlagen zu automatisieren, könnte Betreibern vieles vereinfachen. Doch Erfahrung und fehlende Standardisierung veranlasst Anwender zu zögern. Die Vorteile wie verringerter Wartungsaufwand und Datenverfügbarkeit für alle Ebenen überzeugen noch nicht, eher erhöht ein durchgängiges Netz die Sicherheitsbedenken.

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Entscheider-Facts Für Anwender


  • Technisch ist es bereits jetzt möglich, ein eigensicheres Ethernet-Netzwerk in Ex-Bereichen aufzubauen.
  • Ein einheitliches Ethernet-Netzwerk könnte die Wartung vereinfachen und Kosten senken.
  • Hersteller erwarten von Anwendern eine klare Aussage zum Bedarf an Ethernet.
    Für Hersteller
  • Anwender sehen bislang nur wenige sinnvolle Applikationen für Ethernet in der Feldebene. Als Datensammler oberhalb der Feldebene findet Ethernet Akzeptanz.
  • Intelligente Feldgeräte könnten den Ethernet-Bedarf steigern.
  • Fehlende Standards lassen Anwender zögern, Ethernet einzusetzen.
  • Den bestehenden Sicherheitsbedenken, die ein durchgängiges Ethernet-Netzwerk auslöst, sollten Hersteller Rechnung tragen.

Automatisierungstechnik und Prozessindustrie haben ein unterschiedliches Zeitgefühl, so scheint es. Planer und Betreiber von chemischen Anlagen legen Betriebszeiten von mehreren Jahrzehnten zu Grunde, während die Entwicklung von Automatisierungskonzepten deutlich rasanter voranschreitet. Je nach Zählart steht Anwendern mit Industrial Ethernet das nunmehr fünfte Kommunikationssystem nach 4…20 mA-, Remote I/O- und Hart-Technik sowie den Feldbussystemen zu Verfügung. Darüber ist nicht nur Freude zu vernehmen, eher Unzufriedenheit über mangelnde Standards, Inkompatibilitäten und die fehlende Stromversorgung über Ethernet, wenn es um Feldanwendungen geht. Auch scheinen sich Anwender wie Anbieter den schwarzen Peter gegenseitig zuzuschieben. Einerseits wird die geringe Bereitschaft für die Anwendung von Ethernet mit zu wenig Ethernet-tauglichen Feldgeräten begründet. Andererseits erwarten Hersteller von Anwendern ein klares Bekenntnis für die neue Technik. Angesprochen auf Ethernet in höher liegenden Ebenen der Automatisierungspyramide sind Anwender dagegen offener für das System. Hier sind die Anforderungen, darunter Ex-Schutz, niedriger und es greifen Vorteile wie eine größere Datentransferrate und durchgängige Kommunikationswege. Doch „Die Vision ist klar: Ein vollständiges Kommunikations-Netzwerk ohne Brüche“, meint Rolf Dieter Sommer, Hirschmann Automation and Control.

Voraussetzungen im Ex-Bereich

Automatisierung über Industrial Ethernet bedeutet einerseits, einen neuen Physical Layer einzuführen und andererseits mit neuen Datenprotokollen umgehen zu müssen. Zudem gilt für Anlagen in der chemischen Industrie die Voraussetzung „explosionsgeschützt“ als unverzichtbar. Dabei bevorzugen Anlagenbetreiber die Zündschutzart eigensicher (Ex i). „Mit einer eigensicheren Lösung muss man sich keine Gedanken mehr machen, ob nun eine Kabelverbindung geöffnet oder geschlossen werden darf oder nicht. Andere Lösungen führen zu häufig lästigem Aufwand“, beschreibt Dr.Wolfgang Morr, Geschäftsführer der Namur die Praxis.

Physical Layer Ethernet

Ein quasi eigensicheres Ethernet-Netz lässt sich mit Lichtwellenleitern (LWL) in der Zündschutzart Ex op is auch über größere Entfernungen aufbauen. Die Technik ist mittlerweile auch für Prozessanwendungen ausgereift und „im Preis vergleichbar mit hochwertigen Kupferkabeln“, erklärt André Fritsch, Produktmanager bei R. Stahl. Außerdem sei die Verwendung von LWL zu empfehlen, weil Ethernet anfälliger für elektromagnetische Störungen und Schirmungsfehler sei. Für ein vollständiges Ethernet-Netzwerk in Zone 1 fehle es jedoch bisher an Netzwerkkomponenten, meint Rolf Dieter Sommer. . Es findet sich eine übersichtliche Zahl an Komponenten mit Zulassung für Zone 1 und der Markt bietet nur wenige Aktoren und Sensoren mit eigensicheren und Ethernet-fähigen Schnittstellen. Aus der Praxis kann das Dr. Jens Heinrich von Bayer Material Science bekräftigen: „Wenn Feldgeräte mit Ethernet-Anschluss am Markt verfügbar sind, werden wir uns mit den Lösungen im Detail auseinandersetzen und die Performance prüfen.“

Auch ohne Lichtwellenleiter

Um Ethernet ins Feld zu führen ohne auf LWL umsteigen zu müssen, bietet Pepperl+Fuchs den Ethernet Isolator für mobile Anwendungen an. „Der Ethernet Isolator begrenzt die Leistung auf dem Ethernet-Kupferkabel und trennt galvanisch das eigensichere vom nicht sicheren Ethernet“, erklärt Andreas Hennecke, Marketing Manager von Pepperl+Fuchs. Das Gerät eignet sich zum Beispiel für temporäre Installationen oder oder mobile Bedienterminals.

Und die Stromversorgung?

Für Ethernet-Anwendungen in der Feldebene spielt neben der Ex-Sicherheit die Stromversorgung der Feldgeräte eine entscheidende Rolle. Über den Physical Layer Power over Ethernet in eigensicherer Ausführung (Ex i PoE) lassen sich Daten und Energie, typischerweise 12V bei 120mA, übertragen. Entfernungen größer 100m werden mit LWL erreicht, wobei die Begrenzung auf die Ethernet-Spezifikation zurückgeht. Da sich über LWL kein Strom übertragen lässt, speisen die in der Ex-Zone 1 platzierten Switches die Feldgeräte über das Ex i PoE-Kabel mit Energie. „Hiermit lässt sich Energieversorgung und Ethernet-Datenübertragung in einem Kabel realisieren“, beschreibt Thomas Menze, Managing Director MTL Instruments, die Technik.

Geringere Netzwerkkosten

Nach Herstellermeinung könnte ein einheitliches Ethernet-Netzwerk die Kosten deutlich senken. Weil Ethernet in der Bürokommunikation bereits etabliert ist, stünden Standardkomponenten zur Verfügung. Zudem werde so nicht nur eine horizontale, sondern auch vertikale Verknüpfung des Datenstroms in einer Anlage möglich, so Thomas Menze. Er erwartet, dass die Kommunikationstechnik in Zukunft immer mehr die Effizienz prozesstechnischer Anlagen bestimmen wird. Dazu ergänzt André Fritsch: „Die Einbindung in Asset Management Systeme wird mit einem einheitlichen Ethernet-Netz einfacher.“ Zudem könnten Anlagenbetreiber so auf proprietäre Gateway-Lösungen verzichten und mit geringeren Investitionskosten rechnen.

Anders als die meisten Hersteller, sehen Anwender jedoch keine oder keine überzeugende Kostenersparnis. Sie fürchten eher das Gegenteil, weil mit einem neuen Netz auch eine Re-Instrumentierung mit neuen Anschlüssen verbunden sei. Dr. Jens Heinrich von Bayer Material Science antwortet auf die Frage nach der aktuellen Situation: „Feldgeräte mit Ethernet-Schnittstelle im Prozess einzusetzen ist bei uns noch kein Thema. Wir beobachten die Entwicklung mit Interesse, haben aber kurzfristig keine Installationen vorgesehen.“ Es wird deutlich, dass einerseits grundsätzliches Interesse an Ethernet besteht, jedoch neben technischen Hindernissen, die Notwendigkeit bei Anwendern nicht gesehen wird, Industrial Ethernet als durchgängigen Physical Layer und Kommunikationssystem im Feld einzuführen. Positiver scheinen die Aussichten für neue Anlagen, da hier von vorneherein das Netzwerk anders geplant werden könne und neue Techniken größere Chancen haben.

Informationen statt Daten

Ähnlich sieht das Dr.Wolfgang Morr: „Wir haben bereits jetzt große Probleme im Life Cycle Management mit den vielen verschiedenen Kommunikationssystemen. Das Problem ist im Grunde nicht die Hardware, sondern es sind die Applikationen, die dahinter stehen.“ Veränderungen in der Software führten häufig zu Kommunikationsproblemen zwischen den Systemen und „die Kosten entstehen nicht bei der Instandhaltung des Netzes, sondern vielmehr durch die Softwareaktualisierung verschiedener Applikationen und deren Folgen.“ Die Nachfrage nach Ethernet könnte steigen, wenn sich intelligente Feldgeräte etablieren. Sie sollen nicht nur Daten, sondern Informationen ausgeben. Dazu erklärt Morr: „Die Leitsysteme werden derzeit mit Daten überlastet. Es geht jetzt vielmehr darum, statt Daten relevante Informationen zu extrahieren und an die oberen Automatisierungsebenen zu leiten.“ Das sei eine der Aufgaben, um Operational Excellence zu erreichen.

Und Michael Pelz, Clariant, Leiter des Arbeitskreises Feldbus der Namur, bestätigt: „Die bislang zur Verfügung stehende Technik ist noch wenig praktikabel. Hier sehe ich die Hersteller gefordert, um entsprechende Angebote zu schaffen , weil sie ihre Geräte am besten kennen, um geräteinterne Funktionen wie zum Beispiel selbstständige Diagnosen einzuführen – aber bitte nur sinnvoll standardisiert.“ Für Ethernet werden zukünftig intelligente und komplexe Feldgeräte zum Beispiel aus Bereichen der Antriebs- und Pumpentechnik oder Wäge- und Analysenmesstechnik die Nachfrage im Feld steigern. „Erst bei intelligenten Feldgeräten entsteht ein vernünftiger Mehrwert durch die Ethernet-Anbindung. Solche Geräte benötigen normalerweise eine separate Stromleitung“, fügt Rolf Dieter Sommer hinzu.

Standard lässt auf sich warten

Als Protokolle zur Datenübertragung auf Industrial Ethernet sind derzeit zum Beispiel Ethernet IP, Profinet, Foundation Fieldbus HSE oder Modbus TCP verfügbar. Und genau die Fülle macht es Anwendern schwer, eine langfristig zuverlässige Lösung auszuwählen und in Ethernet-Netzwerke zu investieren. „Seit etwa zehn Jahren gibt es nun die Feldbustechnik und dennoch ist die Durchgängigkeit relativ schwach. Ethernet stößt deshalb zum Teil auf Ablehnung, weil die Standardisierung zur falschen Zeit angestrebt wurde“, begründet Dr. Wolfgang Morr. Ein Standard müsse eigentlich im Vorfeld der Einführung einer neuen Technik definiert werden, um für Anwender ein nützliches und investitionssicheres Instrument zu schaffen. Er sieht als Voraussetzung für ein einheitliches Netz neben der Standardisierung auch eine vollständige Hardware inklusive Aktoren und Sensoren mit Ethernet-Anbindung. Die Entwicklung der Feldbustechnik habe gezeigt, dass ein fehlender Standard die Einführung einer neuen Technik hemmt. Zwar sind inzwischen Feldbussysteme in Anlagen vorzufinden, jedoch werden auf Feldebene die Geräte häufig noch immer über 4…20mA oder Remote I/O-Systeme angeschlossen. Die Anzahl direkter Feldbusanschlüsse über Profibus PA oder Foundation Fieldbus H1 ist vergleichsweise gering.

Sicheres Netzwerk

Sehen Anwender ein Problem mit der Datensicherheit in einem durchgängigen Netzwerk? Offenbar besteht hier eine gewisse Skepsis. Obwohl Hersteller von Netzwerkkomponenten betonen, dass ein Industrial Ethernet-Netzwerk sich von dem in der Bürokommunikation verbreiteten Ethernet-Netz stark unterscheidet und nur mit extrem großem Aufwand von außen gestört werden könnte, halten Anwender ein durchgängiges Netz für leichter angreifbar. Dr. Wolfgang Morr meint dazu: “Bei einem durchgängigen Netz muss man sich mehr denn je Gedanken über das Thema Sicherheit machen . Wenn sich auch die Physical Layer unterscheiden, sehe ich die Schwachpunkte in der verwendeten Software.“ Bislang gebe es eine strikte Trennung der IT zwischen den Ebenen. Wenn ein durchgängiges Netz eingeführt werde, müssten die Schnittstellen stärker überwacht werden, ergänzt Michael Pelz.

Ethernet als Datensammler

Für Anwendungen auf höherer Prozessebene findet Ethernet als Ergänzung Zustimmung. „Ich bin überrascht, dass anders als bei der Einführung der Bustechnologie die Kunden Ethernet offener gegenüber stehen“, berichtet André Fritsch. Allerdings gehe es nicht darum, die Feldbusse abzulösen, sondern vielmehr sinnvoll zu ergänzen. Die Feldbustechnik ist mittlerweile ausgereift und für Ihre Aufgaben optimiert. Für den Einsatz vonEthernet als Backbone oder Datensammler über der Feldebene, kommt der Vorteil von Industrial Ethernet zum Tragen, denn „der Nachteil der Feldbusse liegt darin, dass sie nur acht bis zwölf Teilnehmer aufnehmen können“, weiß Fritsch. Mit einem Ethernet-fähigen Remote I/O in Zone 1 ließe sich zum Beispiel ein über RS 485-IS eigensicherer Profibus DP ersetzen. Anders als Profinet oder Foundation Fieldbus HSEkann zum Beispiel das Ethernetprotokoll Modbus TCP bereits heute mit verschiedenen Prozessleitsystemen kommunizieren, was für den Aufbau einer Ethernet-Netztopologie mindestens ebenso entscheidend ist, wie Anschlussmöglichkeiten ins Feld. Auch Thomas Menze sieht die Anwendung von Ethernet in nahe liegender Zukunft eher als übergeordnetes System und bietet Anwendern dafür beispielsweise ein Gateway für den Ex-Bereich an. Von Anwenderseite wird die aktuelle Entwicklung ähnlich beurteilt wie Michael Pelz bestätigt: „Ethernet werden wir zukünftig immer öfter auf gleicher Ebene wie Profibus DP vorfinden.“

Fazit: Ethernet ist in der Prozessindustrie angekommen, jedoch reicht es noch nicht für ein durchgängiges Netz bis in die Feldebene. Weder steht Anwendern ein ausreichendes Angebot an Netzwerktechnik für Zone 1 zur Verfügung, noch werden genügend Ethernet-fähige Feldgeräte angeboten. Auch besteht eine gewisse Skepsis bezüglich der Datensicherheit in einem durchgängigen Netz. Anwender sind den Problemen mit verschiedenen Netzsystemen überdrüssig und erwarten einen zuverlässigen und investitionssicheren Standard. Feldbussysteme und Remote I/Os sind für ihre Aufgaben im Feld optimiert und werden stetig weiter entwickelt. Den Vorteil, größere Datenmengen transferieren zu können, kann Ethernet aktuell erst auf höherer Ebene in der Automatisierungspyramide ausspielen. In Zukunft könnten jedoch intelligente Feldgeräte die Nachfrage nach einem durchgängigen Ethernet-Netzwerk wachsen lassen.

„Nicht größere Datenmengen sind ein Problem, sondern daraus Informationen für Prozessleitsysteme zu extrahieren“
Dr. Wolfgang Morr, Geschäftsführer der Namur
„Wenn Feldgeräte mit Ethernet-Anschluss am Markt verfügbar sind, werden wir die Performance prüfen“
Dr. Jens Heinrich, Bayer Material Science
„Ethernet wird die Feldbussysteme ergänzen und in manchen Fällen ablösen“
André Fritsch, Produkmanager Automatisierung, R. Stahl
„Durch den Einsatz intelligenter Feldgeräte wird der Bedarf an Ethernet in Zone 1 wachsen“
Rolf Dieter Sommer, Produkmanager, HirschmannAutomation and Control

Heftausgabe: Juni 2008

Über den Autor

Dr. Etwina Gandert,
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