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ETHERNET-APL ERFOLGREICH GETESTET

Ethernet-APL in der Praxis

30.03.2020 Eine 2-Draht-Ethernet-Anbindung bis zum Feldgerät im Ex-Bereich – dieser 2011 von einer Herstellergruppe formulierten Vision ist die Prozessindustrie inzwischen recht nahegekommen: Auf der Namur-Hauptsitzung berichteten Anwender von ihren Erfahrungen in einer Prototypen-Installation.

Digitalisierung erfordert Bandbreite. Mit den bisherigen digitalen Bussystemen, die in der Prozessindustrie genutzt werden, ist diese längst nicht mehr den modernen Anforderungen gewachsen. Der Wunsch der Anwender: Prozessdaten sollen künftig mit der Geschwindigkeit und Flexibilität von Standard-Ethernet- und IP-Technologien übertragen werden. Mit dem Advanced Physical Layer, APL, wird seit 2011 eine neue „Schicht“ untersucht, die sowohl vorhandene Protokolle unterstützt als auch die Besonderheiten der Prozessindustrie: große Entfernungen und Installation in explosionsgefährdeten Bereichen.

Topologie der APL-Lösung Ethernet in the Field - Bild Profibus

Topologie der APL-Lösung für Ethernet in the Field. Bild: Profibus

Die Lösung besteht aus Ethernet-Switches in Zone 1 oder 2, einer bis zu 1.000 m langen 2-Drahtleitung mit Stromversorgung („Trunk“) in Schutzart Ex e für Zone 1, die schließlich Feldgeräte in Zone 0 über bis zu 200 m über zwei Leiter anbindet („Spur“, Ex i). Die künftige Lösung soll transparent für alle Ethernet-Protokolle sein, also auch für Profinet, und Switches in den Zonen 2 und 1 nutzen. Außerdem sieht die Spezifikation vor, dass Profibus-PA-Kabel sowie die Schirmungskonzepte verwendet werden können.

Enhanced Connectivity – wie der Anschluss der Namur Open Architecture gelingen kann:

In der ersten Phase ist eine Bandbreite von 10 MBit/s vorgesehen, in Phase 2 soll die Lösung in Richtung 100 MBit/s weiterentwickelt werden, die Entfernungsanforderungen werden dann jedoch reduziert sein. Die maximale Trunk-Länge soll im Rahmen eines weiteren IEEE-Projektes erarbeitet werden. Schon jetzt werden die 200 m („Spur“, Ex i) technisch erreicht. Jeder Trunk soll bis zu 50 Feldgeräte versorgen können. Die Feldbusphysik soll vollständig kompatibel zu Standard-Ethernet in den Ebenen 1 und 2 des ISO/OSI-Modells sein und eine durchgängige Profinet-Kommunikation bis zum Feldgerät ermöglichen.

Bild 2: Einsatz von APL-Switches in den Zonen 0, 1 und 2

Nutzung neuer Kommunikationstechnologien im OT- und IT-Bereich

Phoenix Contact Kasten Bild 2

Einsatz von APL-Switches in den Zonen 0, 1 und 2

Testlabor bei BASF liefert erste Erkenntnisse

Besonders großes Interesse an der neuen Kommunikationstechnologie hat der Chemieanlagen-Betreiber BASF: Dieser will seine künftigen Anlagen mit einer performanten digitalen Kommunikation ausstatten, die bis ins Feld reicht. Dazu soll ein Ethernet-Protokoll für alle Prozesskomponenten, also sowohl für Sensorik und Aktorik als auch für Motorsteuergeräte und Frequenzumrichter genutzt werden. Zudem soll die Ethernet-Kommunikation robust und hoch verfügbar sein und auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können.

„Wir wollen zudem eine performante parallele Datenausschleusung aus den Feldgeräten haben, um Industrie-4.0-Anwendungen zu realisieren“, erklärte Gerd Niedermayer, Senior E&I Engineering Manager, im Rahmen eines Workshops auf der Namur-Hauptsitzung Anfang November 2019.

Die BASF betreibt seit März 2019   in Ludwigshafen ein Testlabor, in dem Techniker und Ingenieure Prototypen der Ethernet-APL-Technologie auf Herz und Nieren prüfen. Das Ziel: In zwei Jahren will der Chemieriese die Technik in ersten Großanlagen installieren. „Die Tests dienen auch dazu, den Herstellern gleich Feedback zu Verbesserungsmöglichkeiten zu liefern“, erklärt Niedermayer. Geliefert werden die Prototypen von allen namhaften Lieferanten von Geräten zur Prozessautomatisierung.

Das Testlabor ist in zwei Abschnitte gegliedert: den Schaltraum und den Feldbereich. Und weil Seriengeräte mit Ethernet-APL-Kommunikation in den kommenden Jahren erst nach und nach verfügbar sein werden, testet man in Ludwigshafen auch den gemischten Betrieb, d. h. Konfigurationen, bei denen Ethernet-APL-Geräte neben solchen mit Profibus-PA- und klassischer 4-20-mA-Verdrahtung arbeiten. Vor allem eine Frage steht dabei im Vordergrund: Wie ist es um die Interoperabilität bestellt? Arbeiten die Geräte problemlos in Installationen zusammen, bei denen Technik unterschiedlicher Hersteller zum Einsatz kommt?

Ethernet-Switches für die Prozesstechnik

FL Switch 2200_2300 von Phoenix Contact für Ethernet-in-the-Field. Bild: Phoenix Contact

FL Switch 2200_2300 von Phoenix Contact für Ethernet-in-the-Field. Bild: Phoenix Contact

Zur flexiblen Umsetzung robuster und ausfallsicherer Ethernet-Netzwerke in der Prozesstechnik bietet Phoenix Contact die Baureihen FL SWITCH 2200 und 2300 an. Die Geräte können in der Ex-Zone 2 nach ATEX und IECEx verwendet werden und stellen Anschluss-Ports für Twisted Pair (Kupfer) sowie die verschiedenen Glasfaser-Standards mit Datenraten bis 1 Gbit/s zur Verfügung. Ein erweiterter Temperaturbereich von -40°C bis 70°C und die redundante Spannungsversorgung ermöglichen zudem eine Nutzung unter rauen Umgebungsbedingungen.  Die Switches lassen sich optimal in Profinet integrieren, unterstützen die Nachbarschaftserkennung sowie den Aufbau von MRP-Ringen.

Für die direkte Anbindung der Feldgeräte in neuer Ethernet-Zweidraht-Technik hat Phoenix Contact Ethernet-APL-Field-Switches konzipiert. Diese umfassen Ethernet-APL-Spur-Ports, über die in Ex-Zone 0 respektive 1 installierte Feldgeräte eigensicher an das Netzwerk angekoppelt und gleichzeitig gespeist werden. Eine Variante für den überlagerten Netzwerkanschluss der Ethernet-APL-Field-Switches ist die direkte Integration in einen Profinet-MRP-Ring. Erste Prototypen solcher APL-Field-Switches haben im Rahmen der beschriebenen Proof-of-Konzept-Installation bei BASF ihre Einsatztauglichkeit unter Beweis stellen.

Die Testinstallation dafür ist redundant aufgebaut: An einem Ring werden Feldgeräte installiert, an einem zweiten sind die Antriebe angeschlossen. Der NOA-Kanal (2. Kanal) wird durch einen Abgriff vor dem Controller hin zu einem Edge-Device (Gateway) realisiert. Ein erster, wesentlicher Vorteil der Ethernet-APL-Technik wurde Niedermayer zusammen mit seinen Kollegen gleich zu Beginn bewusst: Im Schaltraum entfällt im Gegensatz zu klassischer Anschlusstechnik die E/A-Ebene komplett – die Ethernet-APL-Kommunikation spart wertvollen Platz im Schaltraum. „Die Montage und Verkabelung ist einfach und der Aufbau sehr strukturiert“, berichtet Niedermayer.

Interoperabilität und hohe Verfügbarkeit

Zudem zeigte sich in den Tests eine hohe Verfügbarkeit sowie keinerlei Probleme bei der Interoperabilität, beispielsweise dann, wenn das Gerät eines Herstellers durch ein passendes eines anderen Herstellers getauscht wird. Auch im Mischbetrieb, d. h. wenn APL- und Profibus-PA-Feldgeräte parallel betrieben werden, kam es zu keinen Störungen. Die Klemmverbindungen für den Anschluss der Feldgeräte an APL-Switches sowie der Anschluss der APL-Feldgeräte erfolgen aus Sicht der Tester einfach und verpolungssicher.

Besonders positiv zeigte sich beim Gerätetausch die sogenannte „Nachbarschaftserkennung (Link Layer Discovery Protokoll). Dadurch können neue Feldgeräte automatisch konfiguriert werden und sind in weniger als einer Minute wieder verfügbar. Über den NOA-Kanal werden Diagnosedaten parallel ausgeschleust und können einfach in ein Asset-Management-System integriert werden. Lediglich beim Erstellen der HMI zeigten sich Komplikationen, wenn in den Leitsystemen notwendige Treiberdateien für das PA-Profil 4.0 fehlten.

Auch die Integration der Geräte in die genutzten Asset-Management-Systeme erwies sich als aufwendig, da je nach System unterschiedliche Dateien (EDD, DTM, FDI etc.) benötigt werden. „Unser Wunsch ist hier eine standardisierte Gerätebeschreibungsdatei – FDI – für die Integration der Geräte ins Leitsystem und Asset-Management-System.“ Insgesamt zieht der Anwender jedoch ein positives Fazit: „APL konnte im ersten praktischen Einsatz erfolgreich getestet werden.“ Dass vor allem die Interoperabilitätstests so positiv verlaufen sind, führt Karsten Schneider, Chairman von Profibus & Profinet, auf die rigorosen Vorgaben der Feldbus-Organisation zurück. Denn Profinet auf Basis APL soll künftig Profibus PA ablösen.

Neben der Umsetzung von APL in Profinet plant auch die OPC Foundation die Übertragungsphysik zu nutzen. So hat die Field Communication Group FCG auf der Hannover Messe im Frühjahr die Idee vorgestellt, OPC UA als Feldbusprotokoll und das protokollunabhängige Informationsmodell PA DIM für APL-Geräte zu verwenden.

„Ethernet- APL ist ein Enabler für NOA-Anwendungen“, attestiert Oliver Weigel, BASF, aus Sicht des Namur-Arbeitskreises 2.6 „Digitale Prozesskommunikation“ der neuen Kommunikationstechnik eine Rolle in der digitalen Zukunft der Prozessautomation: „Enhanced Connectivity ist, wenn das Komplexe für den normalen Anwender einfacher wird.“ Und das soll künftig nicht nur für die Gerätekommunikation im Mess- und Regelbetrieb gelten, sondern auch für Sicherheitsfunktionen: Hier wünschen sich die Anwender, dass dieselben Geräte sowohl für Safety-Anwendungen als auch für Regelkreise eingesetzt werden.

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