Instrumentierung 4.0 Durchflussmesstechnik neu gedacht: Mit Ethernet APL und Power over Ethernet

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Die Messtechnik in der Prozessindustrie ist nach wie vor die Domäne der analogen 4..20mA-Technologie. Die vor 25 Jahren eingeführten digitalen Feldbusse erfüllten die Erwartungen der Anwender nur teilweise und so blieben die Stückzahlen digitaler Feldgeräte weit hinter den Erwartungen zurück, obwohl die Digitalisierung mittlerweile in jeden Winkel einer Anlage vordringt. Doch nun zieht Ethernet ins Feld der Prozessindustrie ein und bietet neue Optionen für die Durchflussmesstechnik.

In der Prozessinstrumentierung beherrschen digitale, smarte Feldgeräte die Bühne. Geräte bieten umfangreiche Diagnosefunktionen, Fehlerspeicher, Betriebsstundenzähler und decken durch umfangreiche vor Ort Parametrierung einen weiten Applikationsbereich ab. Insbesondere Durchflussmesser bieten besonderen Mehrwert durch die Erfassung weiterer Prozessgrößen wie Massedurchfluss, Dichte, transportierte Energie und sind in der Lage, Abfüllprozesse autark, dass heißt ohne Leittechnik zu regeln und Aktoren anzusteuern. Doch wie gelangen die Informationen, Messdaten und Steuersignale aus dem Prozess nach außen?

Noch herrscht oft Funkstille

Obwohl im Feldgerät die Aufgaben weitestgehend digital bewerkstelligt werden und auch Leitsysteme bzw. SPS-en und zugehörige Remote I/O schon lange digital arbeiten, herrscht dazwischen buchstäblich Funkstille. Über eine 4..20 mA-Schleife wird genau ein Messwert übertragen und ein Relaisausgang steuert per separater Leitung genau einen Aktor an oder meldet genau einen Grenzwert an eine übergeordnete Steuerung.

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Was kann Ethernet besser? Schließlich ist es doch nur der Physical Layer, kann ein Kabel wirklich so viel verändern?

Ethernet ermöglicht Innovationen

ABB Durchflussmesser der Serien Process Master und Coriolis Master zeigen, dass mit dem „neuen Kabel“ viele Innovationen möglich sind, die insbesondere den Umgang mit dem Gerät, etwa Inbetriebnahme, Monitoring, Diagnose oder Troubleshooting erheblich vereinfachen. Dies ist selbstverständlich ohne Beeinflussung der Messwertaufnahme und -verarbeitung möglich:

• Ethernet als primäre Schnittstelle oder zusätzlich zum 4..20 mA-Ausgang

• Zwei Ethernet Ports unterstützen Daisy Chain, Medienredundanz oder Ring Topologie

• Verschiedene Protokolle über die gleiche Netzwerkverbindung

• Power over Ethernet zur Versorgung des Feldgerätes über das gleiche Kabel

• Integrierte Web-Oberfläche zur vollständigen Bedienung. Selbstverständlich passwortgeschützt, mit verschlüsselter Verbindung und sogar ganz deaktivierbar

• Treiber wird mit dem Gerät ausgeliefert und ist über Web-Oberfläche downloadbar

• Device Verification integriert mit dynamischem QR-Code zur Berichterstellung

Standard für die Kommunikation

Vor mehr als 45 Jahren legte Xerox Parc mit ersten Veröffentlichungen die Grundlage für Ethernet und patentierte die Technik schließlich 1976. Seit dieser Zeit wurde es kontinuierlich weiterentwickelt und ist spätestens seit den 90-er Jahren der Quasi-Standard für die Kommunikation zwischen PCs und Servern in der Industrieautomation geworden – und das weltweit.

Nach mehreren Entwicklungsstufen mit verbesserter Übertragungsgeschwindigkeit, größeren Leitungslängen und seiner Definition als IEEE-Standard 1989 wurde es zur ersten Wahl, wenn größere Datenmengen in lokalen Netzen transportiert werden müssen oder um viele Rechner zu Netzwerken zusammenzuschalten. Mit der großen Verbreitungsgeschwindigkeit einher gingen die Vereinfachung bei Installation, Test und Inbetriebnahme, eine dramatische Reduzierung der Kosten sowie eine Standardisierung im nötigen Umfang.

Bietet zusätzliche Informationen

Spätestens seit dem Zeitalter von Industrie 4.0 führt an Ethernet in der industriellen Kommunikation kein Weg mehr vorbei. Analoge Signale lassen sich nun mal nicht oder nur sehr kostspielig für Edge- oder Cloud-basierte Anwendungen aufbereiten.

Solange man nicht auf zusätzliche Informationen zum Prozess oder Sensor zugreift, ist die analoge 4..20mA-Übertragung an Einfachheit in der Handhabung kaum zu überbieten. Das Potential zur Reduzierung von Wartungskosten und Erhöhung der Anlageneffizienz liegt jedoch genau in diesem Sektor. Der Aspekt Monitoring & Optimization ist mit NOA (Namur Open Architecture) in den Fokus der Kunden in der Prozessindustrie gerückt und die analoge 4..20 mA-Technik bietet hier praktisch keine Perspektive.

Einstieg mit hybrider Technologie

Ethernet hat in der Fabrikautomation seine Industrietauglichkeit bewiesen und hält nun Einzug in die Prozessindustrie. Bereits einen Schritt weiter geht APL (Advanced Physical Layer). Dies ermöglicht ein Ethernet-Feeling sogar für 2-Leiter Geräte in der Zone 1. Diese Technologie steht am Anfang und muss sich nun im Markt bewähren. Zeit braucht der Ausbau eines sinnvollen Portfolios an Messtechnik und Aktorik, unterstützt von verschiedenen Herstellern.

Doch gerade das bereits weit verbreitete und betriebsbewährte Industrial Ethernet bietet schon heute einen sicheren Einstieg in die Technik. Durchflussmesser der Serien Coriolis Master und Process Master bieten Ethernet als Optionskarte neben dem bewährten 4..20mA -Kanal an und eignen sich daher besonders für hybride Installationen bzw. die schrittweise Einführung (Messtechnik mit Ethernet-Technologie).

Zwei Ethernet Ports mit integriertem Switch bieten höchste Flexibilität bei der Netzwerk-Topologie – und das ohne aufwendige Parametrierung im Feldgerät: Stern, Linie, redundante Linie und Ring werden automatisch erkannt.

Arbeiten mit verschiedenen Protokollen

Wird mit Ethernet nun endlich auch „das Protokoll für alles“ kommen? Davon ist mittelfristig nicht auszugehen. Die Vielfalt der Protokolle und darauf angepasste Infrastrukturkomponenten war eines der größten Hindernisse für die Verbreitung der Feldbustechnik. Durch klare und standardisierte Schnittstellen zwischen den einzelnen Schichten ist Ethernet jedoch in der Lage, verschiedene Protokolle parallel, d.h. im gleichen Netzwerk über die gleiche Infrastruktur zu transportieren. Das eröffnet die Möglichkeit, das für den Zweck am besten geeignete Protokoll zu verwenden, z.B. Ether Net/IP, Modbus TCP oder Profinet für die zyklische Kommunikation und HTTPS für die Geräteparametrierung, Softwareupdates etc., in Zukunft auch OPC UA. Mehr zum Thema lesen Sie in diesem Blog.

Durchflussmesser der Serien Process Master und Coriolis Master bieten neben den erwähnten zyklischen, echtzeitfähigen Diensten per HTTPS eine einfach zu bedienende, integrierte Parametrieroberfläche an, die von jedem Standard-Webbrowser erreicht werden kann. Damit entfällt nicht nur die Notwendigkeit für Handhelds, Modems und Adapter, sondern auch die Installation von Device Management Software. Allerdings wird Software wie der ABB Field Information Manager nicht an Bedeutung verlieren. Insbesondere in großen Anlagen bringt eine Zentralisierung des Feldgeräte-Managements viele Vorteile mit sich. In kleineren Anlagen wünschen sich Anwender jedoch den Zugang ohne zu installierende Software und Gerätetreiber.

Leichtere Überprüfung der Gerätefunktionen

Die Datensicherheit und Verschlüsselung der Kommunikation ist besonders wichtig, wenn die Daten das in der Regel gut geschützte Automatisierungsnetzwerk verlassen. HTTPS ist als Standard etabliert und wird von allen Browsern/Clients unterstützt. Process Master und Coriolis Master bieten ihre Weboberfläche im sog. Responsive Design an; das Layout passt sich Bildschirmgröße und -format automatisch an. Per Wlan-Accesspoint im Netzwerk bzw. Routing der HTTPS-Daten in das Intranet ist die Bedienoberfläche der Geräte anlagenweit verfügbar. Ein separater Wlan-Accesspoint in jedem Gerät ist dafür nicht notwendig und im Sinne von Cyber-Security auch nicht zu empfehlen.

Spätestens mit HTML5 stehen alle Möglichkeiten zur Verfügung, um auch anspruchsvolle Elemente wie dynamische Charts zu implementieren. Gerade bei der Durchflussmessung kommt der regelmäßigen Überprüfung der Gerätefunktion eine große Bedeutung zu, wozu auch die Dokumentation der Prüfergebnisse gehört. Die weltweit betriebsbewährte Lösung dafür heißt ABB Ability Verification for Measurement Devices. Es entfallen die sonst üblichen Kabelverbindungen zwischen Laptop und Feldgerät. Stattdessen wird über die Weboberfläche – und damit von jedem Ort – die im Gerät implementierte Verifizierungsfunktion gestartet. Die Ergebnisse werden in Form eines QR-Codes im Browserfenster dargestellt. Dieser wird über ABB Ability Verification for Measurement Devices eingelesen, analysiert und als Bericht im PDF-Format ausgegeben.

Power over Ethernet am Start

Ein weiteres Merkmal von Process Master und Coriolis Master ist die Unterstützung von 802.3af, PoE (Durchflussmeser mit Power over ethernet). Das Unternehmen verschiebt damit die Grenze zwischen 2-Leiter-Geräten und klassischen 4-Leiter Geräten wie Durchflussmessern. Kommunikation und Energieversorgung werden über die gleiche Leitung, ein Standard Cat5-Kabel, geführt – ohne Einschränkungen bei Leitungslänge (100m) oder Datenübertragungsgeschwindigkeit (100Mbit/s). Die Spannungsversorgung übernimmt ein üblicher PoE-fähiger Ethernet-Switch.

Die Durchflussmesser setzen damit einen neuen Standard in der Instrumentierung und zeigen, das Ethernet im Feld mehr bedeutet, als ein neues Kabel.

* Der Autor ist Platform Manager bei ABB in Frankfurt

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