Ethernet-APL in der Prozessindustrie Ethernet-APL für Endanwender und Gerätehersteller – so gelingt der Einstieg

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Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) bietet für Endanwender der Prozessindustrie erhebliche Vorteile, indem es die nahtlose Anbindung von Feldgeräten über das Ethernet-Protokoll ermöglicht und so den Aufbau leistungsfähiger Automatisierungsnetze deutlich vereinfacht.

In der Prozessindustrie finden wir Millionen installierter Geräte – von einfachen Sensoren bis hin zu komplexen analytischen Instrumenten – und jedes Jahr kommen Millionen hinzu. Die meisten dieser Geräte verwenden auch heute noch die 4…20-mA-Technologie, eventuell ergänzt um digitale Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über das Hart-Protokoll, obwohl vor bald drei Jahrzehnten digitale Feldbusse wie Profibus PA und Foundation Fieldbus H1 angetreten waren, den Steuerungssystemen neben den reinen Prozesswerten weitere Messgrößen, die Vielfalt der Parameter und den Zustand der Feldgeräte über ein zentrales Kommunikationsnetz zur Verfügung zu stellen.

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Offenbar ist der Einsatz dieser Feldbusse aufgrund ihrer Komplexität und Leistungsdaten nur vergleichsweise wenigen, oft sehr speziellen Applikationen vorbehalten, da er erhebliches Expertenwissen erfordert und insbesondere bei der Integration in die überlagerte Ethernet-Infrastruktur der Anlagen spezielle Gateway-Komponenten benötigt, die neben weiteren Hardware-Kosten auch entsprechende Konfigurationsaufwände für diese Netzübergänge verursachen.

Um derartige Hürden zu überwinden, wurde im letzten Jahr mit Ethernet-APL ein neuer Standard für die durchgängige Ethernet-Kommunikation bis zum Feldgerät verabschiedet. Er berücksichtigt die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, z. B. die Überbrückung großer Distanzen mit einer einfachen Zweidraht-Leitung, die neben der Datenkommunikation auch Energie für das angeschlossene Feldgerät bereitstellt. Die Datenrate wurde mit 10 Mbit/s gegenüber Hart und den Feldbussen dramatisch erhöht. Über entsprechende Leistungsdefinitionen wird weiterhin die Realisierung eigensicherer Geräte ermöglicht. Da Ethernet-APL sich auf die Definition eines neuen Übertragungsstandards für Ethernet auf der untersten Ebene beschränkt, bleibt die Eignung für beliebige Ethernet-basierte höhere Protokolle erhalten. Dies ermöglicht nun erstmals die transparente Kommunikation von Produktions- oder gar Unternehmensnetzen bis hinunter zum Feldgerät ohne die Notwendigkeit von Gateways und erlaubt neben der freien Wahl des Automatisierungsprotokolls auch alle anderen Annehmlichkeiten wie Web-Server, OPC UA und Cloud/Edge-Connectivity.

Ethernet-APL hat einen Reifegrad, der den Einsatz entsprechender Geräte in Produktionsumgebungen durchaus gestattet. Allerdings stellt der Einstieg in diese Technologie sowohl Endanwender als auch Gerätehersteller vor die Herausforderung, schnell ein möglichst breites Angebot an entsprechenden Komponenten zur Verfügung zu haben. Mit geeigneten Infrastruktur-Komponenten und Kommunikations-Modulen für Feldgeräte lässt sich diese „Wartezeit“ minimieren, wie im Folgenden näher erläutert wird.

Die unterschiedlichen Netzwerk-Topologien für Ethernet-APL

Die Ethernet-APL Engineering Guideline beschreibt drei unterschiedliche Netzwerk-Topologien für Ethernet-APL Netze. Die Gegebenheiten für die Ethernet-APL Spurs sind bei allen drei Topologien gleich. Ethernet-APL-Geräte können mit einem maximal 200 m langen Kategorie-IV-Kabel an einen Switch angeschlossen werden und mit einer Datenrate von 10 Mbit/s kommunizieren.

• In der ersten Topologie Alternative wird ein APL Field Switch direkt an ein Standard Industrial Ethernet Netzwerk angeschlossen (siehe Bildergalerie Abb. 1). Ob der Field Switch im Schaltschrank oder direkt im Feld verbaut wird, hängt von den Gegebenheiten der Installationsumgebung ab. Das „Control Network“ kann hier mit normalen Ethernet-Kupferkabeln oder mit Glasfaserkabeln realisiert sein. Die typische Datenrate in diesem Netzwerkteil liegt hier bei 100 Mbit/s.

• Die beiden anderen Topologien realisieren das „APL Trunk Konzept“. Dort werden die APL Field Switches über einen Ethernet-APL Trunk an das „Control Network“ angeschlossen. Die Alternativen unterscheiden sich in dem Punkt der Stromversorgung über den APL Trunk (Abb. 2).

Bildergalerie

Softing geht davon aus, dass viele Installationen die erste Topologie-Alternative mit der direkten Integration des APL Field Switches in das „Control Network“ realisieren werden. Für dieses Einsatzszenario stellt Softing mit seiner neuen aplSwitch-Produktline einen Field Switch bereit, der sowohl mit Kupfer als auch mit Glasfaser an das „Control Network“ angeschlossen werden kann. Es wird optimierte Varianten für die Installation direkt im Feld und im Schaltschrank geben. Der erste als Prototyp verfügbare Ethernet-APL Field Switch ist die Variante für die direkte Installation im Feld und erlaubt Ethernet-APL Feldgeräte in der Ex Zone 1 und 0 anzuschließen (Abb. 3).

Netzstabilität

Für einen stabilen Betriebes eines Profinet-Netzwerkes ist es wichtig, die Netzlast zu kontrollieren, der die Ethernet-APL-Geräte ausgesetzt sind. Andernfalls besteht die Gefahr von sporadischen Ausfällen einzelner Geräte bei Lastspitzen.

Bei den Übergängen im Switch von 100 Mbit/s auf 10 Mbit/s ist eine höhere Netzlast im 100 Mbit/s „Control Network“ besonders kritisch für die Ethernet-APL-Geräte an den 10 Mbit/s Spurs, da deren Datendurchsatz ja nur zehn Prozent des „Control Networks“ ist. Hierfür sieht die IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) die Möglichkeit vor, den Ingress- und Egress-Datenverkehr von Switch Ports zu limitieren. Die Softing Ethernet-APL Switches unterstützen diese Netload Rate Limits und leisten damit einen wichtigen Beitrag zu einem stabilen Netz.

Profibus-PA-Geräte

In der Einführungsphase von Ethernet-APL wird es das Problem geben, dass noch nicht alle in einer Anlage benötigten Geräte als Ethernet-APL-Varianten zur Verfügung stehen. Zur Abmilderung dieses Problems ist es speziell für Profinet-Ethernet-APL-Netze sinnvoll, statt der nicht vorhandenen Profinet-Ethernet-APL-Geräte schon existierende Profibus-PA-Geräte zu nutzen. Um diese in ein Profinet-Netzwerk zu integrieren, sind bisher Profinet – Profibus PA Proxy Gateways wie das Softing pnGate PA nötig. Damit ein Anwender für die Übergangszeit keine zusätzlichen Gateways installieren muss, ist es sinnvoll das Profinet – Profibus PA Proxy in den Ethernet-APL Field Switch zu integrieren. Dann können Profibus-PA-Geräte direkt am Switch angeschlossen werden.

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Alle Softing Ethernet-APL Field Switches gibt es in Varianten mit integriertem Profinet – Profibus PA Proxy. Im Switch wird dabei ein zusätzliches Profibus PA Netzwerksegment erzeugt, an das die Profibus-PA-Geräte angeschlossen werden. Im Profinet Controller kann auf die Daten der Profibus-PA-Geräte dann über Module, die im Profinet Device das Switches eingeblendet werden, zugegriffen werden.

Da Ethernet-APL Profinet-Geräte und Profibus-PA- Geräte das PNO PA Profil realisieren, sind die zur Verfügung gestellten Daten ähnlich und können bei einem Wechsel von Profibus PA auf Profinet einfach umgestellt werden.

Feldgeräte

Um Prozess-Equipment, das bislang Hart-basiert betrieben wird, möglichst schnell für Ethernet-APL verfügbar zu machen, bietet sich für Gerätehersteller an, anstelle einer kompletten Neuentwicklung ein Redesign unter Verwendung eines Elektronik-Moduls mit allen kommunikationsrelevanten Hard-und Softwarekomponenten in Betracht zu ziehen.

Eine klassische Entwicklung von Hardware würde es erfordern, alle Aspekte des Ethernet-APL-Interfaces (Phy-Anbindung, Stromversorgung und-Überwachung) selbst zu realisieren und zu validieren. Hinzu kämen Aufwände für die Portierung eines Protokoll-Stacks, sowie die Implementierung der Geräte-Eigenschaften (Profil) und der eigentlichen Geräteapplikation mit ihrem dynamischen Verhalten. Für ein solches Gerät müssen dann auch noch verschiedene Konformitätsprüfungen und Zertifizierungen durchlaufen werden. Neben den EMV- und Umwelt-Prüfungen sind dies beispielsweise die APL Physical Layer Konformität, eventuelle Ex-Zertifizierungen und Konformitätsprüfungen der entsprechenden Feldbus-Organisationen. Erfahrungsgemäß entstehen dadurch erhebliche Aufwände und Entwicklungszeiten von bis zu mehreren Jahren.

Durch den Einsatz eines kompakten, vorzertifizierten und konfigurierbaren Elektronikmoduls wie dem commModule APL von Softing können viele der vorgenannten Aufgaben entfallen oder erheblich verkürzt werden (Abb. 4).

Bildergalerie

So bietet commModule APL als kostengünstiges SMD-Hardwaremodul sowohl die erforderliche Konnektivität zu Ethernet-APL als auch eine Anwendungssoftware, die einfach konfiguriert werden kann, um das erforderliche Verhalten des jeweiligen Feldgeräts zu implementieren. Vorhandene Hart- und Modbus-Geräte können auf Ethernet-APL migriert werden, ohne dass eine einzige Codezeile geschrieben werden muss. Dazu wird deren bisheriger Kommunikationsanschluss auf rein digitaler Ebene einfach an die UART-Pins des Moduls geführt. Alle erforderlichen Zuordnungen zu den bestehenden Hart- oder Modbus-Befehlen der Geräteapplikation werden dann mit einem Konfigurations-Tool definiert und dauerhaft auf das Modul geladen. Die Abbildung auf das Automatisierungsprotokoll übernimmt die Modulsoftware selbstständig auf Basis dieser Konfiguration. Auch die Stromversorgung der Applikationselektronik übernimmt das Modul, das die Energie dafür und für seine eigene Versorgung direkt vom Ethernet-APL-Anschluss bezieht.

Das Hardware-Redesign für ein Feldgerät vereinfacht sich dadurch erheblich. Insbesondere profitiert der Gerätehersteller davon, dass das Modul viele Zertifizierungen und Konformitätsprüfungen bereits exemplarisch durchlaufen hat. Das verringert das Entwicklungsrisiko und liefert Referenzdaten für die entsprechenden Zertifizierungen des gesamten Feldgeräts.

Ein weiterer wichtiger Vorteil einer Modul-Lösung ist, dass es sich um ein Standardprodukt seines Herstellers handelt, der Weiterentwicklungen in den betreffenden Protokoll- und Profil-Spezifikationen oder Lieferketten-Problematiken selbstständig in die Pflege seines Produktes einfließen lässt und damit den Feldgerätehersteller erheblich entlastet.

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