Erste Ethernet-APL-Geräte am Start Ethernet-APL – warum den Technologiesprung jetzt wagen

Autor / Redakteur: Ronny Becker und Andreas Hennecke* / Dr. Jörg Kempf

Nach wie vor ist in der Prozessindustrie die 4...20 mA-Technologie als Standard gesetzt. Neue Technologien müssen sich vor allem an deren Einfachheit und Zuverlässigkeit messen. Nun bietet sich mit Ethernet-APL erstmals die Chance für einen Technologiewechsel.

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Hersteller und Anwender sollten sich jetzt mit Ethernet-APL auseinandersetzen, so dass der Technologiesprung in die Zukunft, in die Digitalisierung der Prozessindustrie gelingt.
Hersteller und Anwender sollten sich jetzt mit Ethernet-APL auseinandersetzen, so dass der Technologiesprung in die Zukunft, in die Digitalisierung der Prozessindustrie gelingt.
(Bild: Pepperl+Fuchs; ©Sergey Nivens - stock.adobe.com; [M] Tscherwitschke)

In diesen Tagen findet der langersehnte offizielle Technologie-Launch von Ethernet-APL im Rahmen der Achema Pulse statt. Bereits Ende des Jahres können die Anwender mit ersten Ethernet-APL-Geräten – und nicht mehr nur Prototypen – rechnen. Um zu verstehen, warum sich die Prozessindustrie mit Ethernet-Lösungen in der Vergangenheit schwer tat, ist ein detaillierter Blick auf die Komplexität der Branche nötig.

In verfahrenstechnischen Anlagen wird Ethernet bislang hauptsächlich in den höheren Ebenen der Automatisierungspyramide eingesetzt, kaum in der Feldebene. Dabei bietet es nicht nur im Rahmen der Digitalisierung und Industrie 4.0 viele Vorteile. Hier ist insbesondere die große Bandbreite und hohe Geschwindigkeit zu nennen, die den effizienten Zugriff auf viele Daten überhaupt erst ermöglichen. Moderne und innovative Diagnosekonzepte sind ohne diesen Datenzugriff oft nicht möglich.

Gängige Ethernet-Lösungen erfüllten aber nicht die besonderen Anforderungen der Prozessindustrie, wie Eigensicherheit, Leitungslängen bis zu einem Kilometer auf einer geschirmten Zweidrahtleitung inklusive Spannungsversorgung. Für die Entwicklung einer 2-Draht-Ethernet-Lösung (Ethernet-APL) haben in den vergangenen Jahren zwölf Industriepartner und Nutzerorganisationen (FCG, ODVA, OPC-F und PI) intensiv zusammen gearbeitet. Das Konzept wurde 2015 unter dem Namen Ethernet-Advanced Physical Layer (APL) vorgestellt und ist inzwischen in IEEE- und IEC-Standards genormt.

Aber sicher – auch im Ex-Bereich

Eine Herausforderung lag im Einsatz der Technologie mit Eigensicherheit in explosionsgefährdeten Umgebungen. Das bisher eingeführte FISCO-Konzept (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) für Profibus PA und Foundation Fieldbus H1 hat sich bei Anwendern sehr bewährt. Um sicherzustellen, dass Ethernet-APL die Eigensicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen unterstützt, erarbeitete die Arbeitsgruppe IEC PT60079-47 (2-WISE, englisch für 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) eine technische Spezifikation für das zweiadrige eigensichere Ethernet, die sich ähnlich einfach wie FISCO anwenden lässt. Bestätigt wurde 2-WISE durch erfolgreiche Prüfungen bei der Dekra Testing and Certification. Damit steht dem Einzug der Ethernet-Technologie in die Prozessindustrie aus formaler Sicht nichts mehr im Weg. Bis zum endgültigen Einsatz in der Praxis wartet dennoch – wie immer bei der Einführung einer neuen Technologie – einige Detailarbeit auf Anwender und Hersteller.

So müssen bei weitem nicht nur die Technologie – und die ist angesichts EMV-Anforderungen, Ex-Schutz, Staub oder hohen Temperaturen mehr als anspruchsvoll – beachtet werden, sondern auch die internationale Normung, die extrem lange Lebensdauer der Anlagen, die Entwicklung von Engineering-Guidelines, Prüfszenarien für Geräte etc. Stecker und Kabel müssen neu betrachtet und auf APL- Kompatibilität seitens des Herstellers überprüft werden. Es gilt, Gehäuse für kleine Temperatursensoren zu entwerfen, die limitierte Energieversorgung zu beachten und die dafür nötigen Testverfahren zu entwickeln.

Schritt für Schritt zum Technologiesprung

Doch von diesen Arbeiten lassen sich weder Gerätehersteller noch die Anwender abschrecken. So startete Bilfinger Engineering & Maintenance 2019 mit Pepperl+Fuchs einen ersten Test von Ethernet-APL. Ziel war, die Technologie selbst, aber auch den damit verbundenen Technologiesprung zu untersuchen. Denn die Konkurrenz zu Ethernet-APL heißt nach wie vor 4...20 mA, da diese 45 Jahre alte Technik bewährt ist. Zukünftige Techniken müssen, um eine hohe Akzeptanz bei Planern und Anwendern zu erreichen, mindestens die gleiche Einfachheit und Zuverlässigkeit sowie einen echten Mehrwert bieten. Dies ist mit Ethernet-APL möglich.

Im Testaufbau wurden die verfügbaren APL-Infrastrukturprototypen von Pepperl+Fuchs an ein aktuelles Prozessleitsystem via Profinet angeschlossen. Damit wurden verschiedene Anwendungsfälle aus dem gesamten Lifecycle eines Automatisierungssystems durchgespielt. Dazu gehörten die Montage, die Inbetriebnahme oder der Austausch von Feldgeräten, aber auch die Robustheit der Kommunikation bei Störungen auf dem APL-Layer. Hierfür musste der Aufbau einige Stresstests über sich ergehen lassen. Außerdem wurde das generelle Handling der neuen Infrastrukturkomponenten wie Field- und Powerswitches oder vorhandene Kabeltypen an dem neuen Physical Layer untersucht. Um ein Fazit schon einmal vorwegzunehmen: die Tests verliefen alle problemlos.

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Mit dem Mut zur Veränderung

In Prozessanlagen, die seit Jahrzehnten im Betrieb sind, ist es wichtig, dass Geräte unterschiedlicher Generationen miteinander gut arbeiten. In der Pilotanwendung wurde daher untersucht, ob es beispielsweise Probleme gibt, wenn APL-Feldgeräte und Profibus PA-Feldgeräte gemeinsam über nur einen Switch kommunizieren oder ob unterschiedliche Profinet-Teilnehmer, also APL-Switch, Proxy, Remote I/O, etc., verschiedener Hersteller in einem Ring miteinander kommunizieren können. Auch wurde der Aufwand bei Migrationsprojekten von Profibus PA auf Profinet über APL untersucht. So lässt sich das Profibus PA-Gerät über das PA Profil 3.02 einfach gegen ein anderes PA-Gerät oder auch gleich gegen ein APL-Feldgerät austauschen, da die Ports an einem APL-Switch Profibus PA und Profinet sprechen. Zudem ist der gemeinsamer Betrieb von Profibus PA und Profinet in einer Infrastruktur dauerhaft möglich.

Nicht nur der Gerätetausch ist damit sehr einfach, sondern auch eine Migration von PA auf APL im laufenden Betrieb. Um nur ein paar Beispiele aus der Praxis aufzuzählen: In wenigen Minuten gelingt der Tausch, wenn ein Gerät nicht mehr verfügbar ist oder wenn weitere Informationen gewonnen werden sollen, etwa wenn ein Live-Bild der Echokurve eines Füllstandsensors schneller zur Verfügung stehen soll oder generell die Inbetriebnahme schneller erledigt werden kann, weil die Adressierung automatisch erfolgen kann. Darüber hinaus bietet dies die Chance für zukünftige Anwendungen, wie die Anbindung von Web-Server-Funktionen oder für Einsätze im Rahmen des NOA (Namur Open Architecture)-Konzeptes via OPC/UA. Selbst die dafür notwendigen Änderungen in der Leittechnik sind durch die Ähnlichkeit der Protokolle Profibus PA und Profinet überschaubar und deswegen einfach möglich.

Ethernet-APL mit Profinet hat das Potenzial, die bewährte 4...20 mA-Technologie endgültig abzulösen.

Das Urteil der Tester fiel dementsprechend positiv aus – sie kamen zu dem Schluss, dass Ethernet- APL mit Profinet das Potenzial hat, die bewährte, alte 4...20 mA-Technologie endgültig abzulösen.

Schnellere und einfachere Prozesse

Die Vorteile sind unbestritten: Mit Ethernet-APL lassen sich die Daten sicherer und einfacher transportieren, so dass intelligentere Werkzeuge eingesetzt werden können. Damit können die Arbeitsprozesse erheblich vereinfacht werden. Das fängt bei der Installation und Inbetriebnahme an. Die hohe Datenintegration sorgt für einen höheren Automatisierungsgrad und somit für eine schnellere Implementierung. So melden sich beim Loop Check neue Feldgeräte „persönlich“ an.

Weiter stehen die Daten immer an der richtigen Stelle zur Verfügung, etwa auf einem Tablet im Feld, verbunden mit dem Feldgerätenetzwerk. Der aktuelle Datenaustausch erhöht die Konsistenz dieser Daten – ein vielleicht banales, aber in der Praxis immer wieder auftauchendes Problem: Mit Ethernet-APL wird ein durchgängiger Datenaustausch zwischen Projektierungs-, Leit- oder Asset-Management-System und der Instrumentierung möglich. Inkonsistenzen durch nicht übertragene Änderungen, etwa beim Gerätetausch, gehören damit der Vergangenheit an. Darüber hinaus liefert der schnelle und einfache Datenzugriff tiefere Einblicke in den Prozess und bietet damit die Chance für Prozessoptimierungen, beispielsweise durch intelligente Datenanalysen. Zudem sind neue Instandhaltungskonzepte möglich, weil die Feldgeräte unter anderem einen Wartungsbedarf einfacher und schneller selbstständig melden können.

Keine unbekannte Technologie

Unbestritten hat die 4-20 mA-Technologie in der Vergangenheit aufgrund ihrer Robustheit und Einfachheit gute Dienste geleistet, für zukünftige digitale Aufgaben ist sie jedoch nicht mehr ausreichend. Dabei sollte man sich immer vor Augen halten, dass Ethernet an sich keine neue Technologie im Markt ist. Vielmehr ist sie – als Vierdraht-Technik – in vielen Schalträumen der Industrie seit Jahren erprobt. So sind Ethernet-basierte Protokolle wie Profinet oder Ethernet-IP vielfach im Einsatz, etwa zur Ansteuerung von Controllern, Frequenzumrichtern oder Analyzern. Bei Ethernet-APL handelt es sich lediglich um den Physical Layer, der nun „im Feld“ in der Prozessindustrie eingesetzt werden und dort seinen Nutzen entfalten kann.

Mit anderen Worten – Ethernet APL macht Prozesse nicht nur sicherer und einfacher, sondern vermeidet auch Dateninkonsistenzen und erhöht damit die Qualität und Lieferzuverlässigkeit der Endprodukte. Bereits jetzt evaluieren daher viele Hersteller die Umsetzung von Ethernet-APL in ihren Produkten, so dass Anwender von einer breiteren Geräteauswahl profitieren. Hersteller und Anwender sollten sich daher jetzt mit der Technologie auseinandersetzen, so dass der Technologiesprung in die Zukunft, in die Digitalisierung der Prozessindustrie gelingt!

* R. Becker ist Mitarbeiter im Prüflabor der Bilfinger Engineering & Maintenance GmbH, A. Hennecke ist Product Marketing Manager bei Pepperl+Fuchs SE, Mannheim.

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