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Planung von Ethernet-APL-Netzwerken Tipps für die Planung von Ethernet-APL-Netzwerken

Ein Gastbeitrag von André Fritsch, Produktmanager Remote I/O & Fieldbus bei 
R. Stahl

Anbieter zum Thema

K.A. Schmersal GmbH & Co. KG
HECHT Technologie GmbH
Ahlborn Mess- und Regelungstechnik GmbH
R. STAHL Schaltgeräte GmbH

Die Arbeiten zu Ethernet-APL sind weitestgehend abgeschlossen, nun geht es mit den ersten marktfähigen Geräten in die Praxis. Doch wie beginnt man den Aufbau eines Ethernet-APL-Netzwerkes? Das Positive: Manches wirkt auf den ersten Blick zunächst neu, vieles wird jedoch einfacher.

Mit Ethernet-APL steht der Prozessindustrie künftig eine Technologie zur Verfügung, um diese ins Zeitalter der Digitalisierung zu führen.
Mit Ethernet-APL steht der Prozessindustrie künftig eine Technologie zur Verfügung, um diese ins Zeitalter der Digitalisierung zu führen.
(Bild: Sunday Stock - stock.adobe.com)

Die letztjährige Achema war der Startpunkt für den möglichen Einsatz von Ethernet-APL in Prozessanlagen. Damit ist erstmalig der Ethernet-Zugang bis zum Feldgerät in Ex-Bereiche möglich und dies als international standardisierte 2-Draht Lösung. Im Gegensatz zur klassischen Ethernettechnologie, deren Reichweite mit Kupferkabeln bei 100 Meter endet, basiert Ethernet-APL auf dem IEEE-802.3cg-Standard und kann Entfernungen bis 1000 Metern bei 10 Mbit/s überbrücken. Gleichzeitig bietet es eine Versorgung der Feldgeräte – eine unverzichtbare Eigenschaft in den weitläufigen Anlagen der Prozessindustrie. Zudem können Feldgeräte mit der in der Branche bevorzugten Zündschutzart Eigensicherheit betrieben werden.

Eine durchgängige Ethernet-Infrastruktur bietet für die Planung, Inbetriebnahme und die Fehlersuche viele Vorteile. Änderungen und Modifikationen, aber auch neue Konzepte wie die Namur Open Architecture (NOA) oder den Open Process Automation Standard (O-PAS), sind deutlich schneller und flexibler umzusetzen als bei den heutigen meist inhomogenen Installationen.

Die Planung und Installation von Ethernet-APL-Segmenten ist nicht komplizierter als z.B. eine klassische Feldbusinstallation und wird in einem Engineering Guide zusammengefasst. Zum Aufbau eines Ethernet-APL-Netzwerkes und zur Einbindung der Feldgeräte werden zunächst die sogenannten Field Switches benötigt. Neben der Verteilung und Kopplung von Datenströmen versorgen diese bei Ethernet-APL die angeschlossenen Feldgeräte mit eigensicherer Hilfsenergie. Dies geschieht über eine Stichleitung bzw. die „Spur“. Diese Spurs sind in ihrer Länge auf 200 Meter limitiert – damit ist der Installationsort der Feldgeräte zum Field Switch begrenzt. Je nach Anbieter lassen sich diese Field Switches in der Warte, in der Zone 2 aber auch in der Zone 1 installieren. Derzeit laufen die letzten Conformance Tests für Field Switches. Gegen Ende des Jahres werden die Geräte für den Markt erwartet.

Beispiele aus der Praxis

In den folgenden Szenarien wird gezeigt, wie der Umstieg oder die Neueinrichtung eines Ethernet-APL-Netzwerkes aussehen könnte. Dabei gehen die Berechnungen von einer max. Stromaufnahme eines APL-Feldgerätes von ca. 50 mA aus. Vermutlich liegen die realen Werte der künftigen Feldgeräte deutlich niedriger (ca. 30…35 mA). Daraus folgt, dass sich in der Praxis noch etwas größere Entfernungen ergeben und die Verfügbarkeit nochmal verifiziert wird.

Migration einer PA-Anlage

Szenario 1: Dem Szenario liegt eine Feldbus-Installation zu Grunde, in der ein einzelner Feldgerätekoppler (FF H1 oder PA) zum Einsatz kommt und diese waren bzw. sind auf max. 12 Geräte begrenzt. Ein Field Switch kann aktuell bis zu 24 Geräte betreiben. Die Stichleitungen von Feldgerät zu dem Feldbus-Koppler betragen dann bis zu 90 Meter. Daraus folgt bei Ersatz durch einen Ethernet-APL Field Switch eine Trunk-Länge von bis zu 800 m. Zu beachten ist, dass Field Switches ein nicht-lineares Verhalten bezüglich des Spannungsabfalls besitzen. Hier empfiehlt es sich, auf spezielle Tools zur Berechnung zurück zu greifen.

Szenario 2: In einem Anlagenteil gibt es maximal zwölf Feldbusgeräte, die über drei vorhandene Feldgeräte-Koppler angebunden sind. Diese Konstellation soll auf Ethernet-APL übertragen werden. Dafür werden an den Ethernet-APL-Power Switch drei Ethernet-APL Field Switches angeschlossen. Die Länge der Spurs wird mit jeweils 80 m angenommen. Der Abstand zwischen den Ethernet-APL Field Switches beträgt 100 m. An jeden Field Switch werden vier Ethernet-APL-Feldgeräte angeschlossen. Bei dieser Konstellation kann die Entfernung zwischen dem Ethernet-APL Power Switch und dem ersten Ethernet-APL Field Switch 600 Meter bei Verwendung eines Trunkkabels mit einem Querschnitt von 1,5 mm² (16AWG) oder 1.000 Meter bei Einsatz eines Trunkkabels mit einem Querschnitt von 2,5 mm² (14AWG) betragen.

Neues Ethernet-APL-Netzwerk

Szenario 3: Der Anwender möchte so viel Ethernet-APL-Geräte wie möglich in einem Segment unterbringen. Hierbei müssen Ethernet-APL-Field Switches, Ethernet-APL-Feldgeräte und die Spurlängen berücksichtigt und daraus die maximal zulässige Trunklänge abgeleitet werden. Verwendet man 16 Stichleitungen der Ethernet-APL Field Switches, können insgesamt 48 Ethernet-APL-Feldgeräte installiert werden. Die Spurlänge beträgt dann 200 und die Trunklängen jeweils z. B. 300 Meter.

Szenario 4: Der Anwender möchte die Zahl der Feldgeräte bei einer maximalen Entfernung mit einem Segment bestimmen. Das Szenario geht von einer Länge von 1.000 Metern zwischen den einzelnen Field Switches aus, die Länge zwischen dem Power Switch und dem Field Switch beträgt ebenfalls 1.000 Meter. Mit einem APL-Trunkkabel mit einem Querschnitt von 1,5 mm² (16AWG) können bis zu zwei Ethernet-APL-Feldgeräte an jeden der beiden Ethernet-APL Field Switches angeschlossen werden. Bei einem Querschnitt von 2,5 mm² (14AWG) erhöht sich die Anzahl der Geräte auf drei pro Ethernet-APL Field Switch.

Stern- oder Trunk-Spur-Technologie?

Grundsätzlich bietet Ethernet-APL zwei Optionen für Netzwerke. Zum einen kann Ethernet-APL in der für Ethernet üblichen Stern-Topologie aufgebaut werden. Das bedeutet der Field Switch ist direkt an einem 4-Draht Ethernet wie z.B. 100BASE-TX über maximal 100 Meter Entfernung angeschlossen. Kommen Lichtwellenleiter zum Einsatz, was die meisten Field Switches optional unterstützen, können auch längere Entfernungen (zwei bis zu 20 Kilometer) überbrückt werden. Diese Installation bringt zwei große Vorteile mit sich: Zum einen ist die Planung sehr einfach, es muss lediglich die Leitungslänge beachtet werden. Zum anderen können bis zu 250 Feldgeräte pro Netzwerk angebunden werden, da die Field Switches separat mit Energie versorgt werden.

Alternativ lässt sich die aus der Feldbuswelt bekannte Trunk-Spur-Topologie verwenden. Der Netzwerkübergang vom 100BASE-TX oder 100BASE–FX-Netz erfolgt hier über einen Power Switch, der ebenfalls mit Hilfsenergie versorgt werden muss. Der Power Switch wandelt ein 4-Draht-Netzwerk in ein 2-Draht-Netzwerk um. Außerdem speist dieser das Ethernet-APL-Netzwerk über die Trunk-Leitung. An den Power Switch werden die Field Switches angeschlossen, die wiederum die Feldgeräte mit eigensicherer Energie versorgen. Die Field Switches sind bis in die Zone 1 installierbar, der Power Switch befindet sich typischerweise im Schaltraum oder in Zone 2.

Die Trunk-Leitung kann jeweils bis 1000 Meter lang sein und ist damit auch für die weitläufigen Anlagen der Prozessindustrie gut geeignet. Auf Grund der Spannungsabfälle am Trunk können circa 50 Feldgeräte je Segment angeschlossen werden. Generell ist die Trunk-Spur-Technologie immer ein Kompromiss zwischen Entfernung und der Anzahl der Geräte. Die Technologie erfordert ein gutes Netzwerk-Engineering sowie ein ausgefeiltes Schirmungs-/Erdungskonzept – vor allem bei ausgedehnten Netzwerken mit Kupferkabeln.

Ohnehin muss den Verkabelungen in einem Ethernet-APL-Netzwerk besondere Beachtung geschenkt werden. Die in den bisherigen Feldbus-Installationen verlegten Typ A-Kabel (IEC 61158-2) können weiter verwendet werden, ein Austausch in bestehenden Anlagen wäre häufig mit großem Aufwand verbunden. Zudem befindet sich der Anwender, wenn er ein Feldbus-Typ A-Kabel einsetzt, immer auf der sicheren Seite, da Ethernet-APL in Bezug auf die Anforderungen an Schirmung, Leitungslängen und den Querschnitt auf diese abgestimmt ist.

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Auch bei den Anschlussarten verlässt man sich auf bewährtes: Schraub- oder Zugfeder-Klemmen, M12- oder M8-Stecker. In der Regel wird die Anschlusstechnik durch das Gerät definiert.

Um die Installation zu vereinfachen und die Anzahl der Varianten zu begrenzen, wurde eine Port-Klassifizierung eingeführt. Es gibt drei Power-Klassen: Typ A hat eine Leistung von 0,54 W und ist für Zone 1-Geräte, Typ B ist noch in Planung und soll für High Power-Zone 1-Geräte (Leistung von 1,17 W) gelten sowie Typ C mit einer Leistung von 1,11 W für Zone 2-Geräte.

Einfacher Nachweis der Eigensicherheit

Zwar ist die Netzwerktechnik für einige Anwender Neuland, dafür wird der Ex i-Nachweis bei Ethernet-APL wesentlich einfacher als bei bisherigen konventionellen Installationen. Bei Ethernet handelt es sich grundsätzlich um Punkt-zu-Punkt oder vielmehr Port-zu-Port Verbindungen. Das gilt auch für Ethernet-APL. Eine Energiequelle ist mit genau einer Energiesenke über ein definiertes Kabel verbunden. Mit diesen Randbedingungen lässt sich der Ex i-Nachweis exemplarisch, d.h. einmalig auf Basis der IEC 60079-25 „Eigensichere Systeme“ für alle zusammenschaltbaren Geräte durchführen.

Damit nicht jeder Anwender oder Planer den Nachweis selbst führen muss, hat die Ethernet-APL-Arbeitsgruppe zusammen mit der „DEKRA-Exam“ diesen Nachweis bereits geführt und in einer IEC TS 60079-47 dokumentiert: „Geräteschutz durch eigensicheres 2-Draht-Ethernet-Konzept (2-WISE = 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet)“. Das bedeutet für den Anwender und Planer: Werden alle verwendeten Geräte nach „2-WISE“ bescheinigt, was sowohl in der EU-Baumusterprüfbescheinigung als auch auf dem Gerät selber gekennzeichnet ist, ist die Zusammenschaltung eigensicher.

Allerdings muss nach wie vor geprüft werden, ob die Geräte auch für die anfangs festgelegte explosionsfähige Atmosphäre geeignet sind, die Ports die richtige Zündschutzart aufweisen (ia, ib oder ic) und der Installationsort stimmt. Aber es sind keine Berechnungen oder Kabeldimensionierungen nötig.

Um eines kommt der Anwender jedoch nicht herum: Der Ex i-Nachweis muss im Explosionsschutzdokument entsprechend dokumentiert werden. Ist dieser letzte Baustein gesetzt, steht dem sicheren Betrieb einer Anlage mit Ethernet-APL nichts mehr im Weg.  (agk)

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