Start für 2-Draht-Ethernet im Feld der Prozessindustrie

Ethernet im Feld

Zwar wirkte es immer so, als wollte die Prozessindustrie kein Ethernet im Feld, die Realität ist jedoch, dass den meisten Anwendern diese Technologie zu heiß war. Es gab bisher keine vernünftige Lösung, wie mit Feldgeräten in explosionsgefährdeten Bereichen umgegangen werden sollte. Mit APL (Advanced Physical Layer) kommt jetzt aber Bewegung ins Projekt ´Ethernet im Feld'.


Der Einsatz einer Ethernet-basierten Schnittstelle stößt derzeit bei Feldgeräten für die Prozessinstrumentierung an seine Grenzen, wenn z.B. die Anforderungen des Explosionsschutzes berücksichtigt werden müssen. "Es gibt derzeit keinen geeigneten Standard zur Erfüllung dieser besonderen Anforderungen", erklärt Dr.-Ing. Jörg Hähniche, Vorstand der Profibus Nutzerorganisation und Vorsitzender des APL Steering Committees. "Abgesehen vom Explosionsschutz werden in der Prozessindustrie eine 2-Draht-basierte Kommunikation benötigt, die Segmentlänge sollte bis zu 1.000m reichen und die Versorgung der Prozesssensorik/-aktorik muss über die 2-Draht-Verbindung parallel zur Kommunikation (loop-power) erfolgen." Daraufhin haben zahlreiche Vertreter aus den Bereichen Fertigungs-, Prozess- und Gebäudeautomatisierung sowie PHY-Hersteller im Juli 2016 einen IEEE Call for Interest initiiert. Dieser wurde seitens der IEEE akzeptiert und ein halbes Jahr später konnte die IEEE802.3cg Task Force an der Spezifikation eines neuen Standards arbeiten. Auf dieser Basis könnten nun die ASIC-Hersteller einen Ethernet-PHY entwickeln, sobald der Standard (voraussichtlich Ende 2019) verabschiedet ist. Diese Ethernet-Phy kann dann in Anwendungen der Gebäude-, Fertigungs- oder Prozessindustrie eingesetzt werden. Der Ethernet-PHY implementiert dabei ausschließlich die Funktionen der Schicht 1 des ISO/OSI-Referenzmodells. Der zukünftige IEEE802.3cg Standard wird als Kommunikationstechnologie für 2-Draht-Ethernet als Basis für den neuen APL in der Prozessindustrie eingesetzt werden.

Datenrate von 10Mbit/s

Da die Besonderheiten eines Explosionsschutzes nicht von IT-Experten gelöst werden können, haben sich die drei Organisationen FieldComm Group (FCG), ODVA und Profibus Nutzerorganisation (PNO) sowie 11 Industriepartner des APL-Projekts angenommen. "Ein Aspekt dabei ist der geringe Energiebedarf der APL-Schnittstelle, um eigensichere Feldgeräte zu implementieren", nennt Dr. Hähniche einen entscheidenden Punkt. "Es geht aber auch darum, die Schnittstelle so zu gestalten, dass diese noch wirtschaftlich ist, wenn einfache Temperatur- oder Drucktransmitter, von denen es zigtausende an einem Chemie-Standort gibt, in einer Anlage zu installieren sind." Das APL-Projyekt wird die laufenden Arbeiten der IEEE 802.3cg Task Force unterstützen. Fest steht bereits: Der neue Ethernet-Standard soll eine Datenrate von 10Mbit/s besitzen, kann gleichzeitig über eine 2-Draht-Leitung (=Full Duplex Kommunikation) senden und empfangen. Zudem soll er über eine optionale Energieversorgung der angeschlossenen Endgeräte über die 2-Draht-Leitung (Power over Data Line) verfügen. Eine wichtige Kernaufgabe des APL-Projektteams ist es, die Interoperabilität der APL-Komponenten sicherzustellen. Dazu gehört die Spezifikation einer eigensicheren Kommunikation und Versorgung sowie dazugehöriger Profile, so dass Industrial Ethernet Feldgeräte in explosionsgefährdeten Bereichen bis Zone 0 bzw. Class I/Division 1 eingesetzt werden können. Außerdem wird dem Thema "Sicherstellen der Konformität und damit der Interoperabilität der Geräte" eine hohe Bedeutung beigemessen.

Offen in der Topologie

Dabei macht APL jedoch keine Vorgaben an die Netztopologie. APL umfasst lediglich die Spezifikation über die Verbindung zwischen zwei APL-Ports, z.B. eigensicher, 10Mbit/s, 500mW zur Versorgung eines Endgeräts oder eigensicher, 10Mbit/s, ohne Energieversorgung. Diese Eigenschaften werden innerhalb eines APL-Profils beschrieben. Ausgehend von einer Steuerung wird ein APL-Ethernet Switch mit einer bereits heute verfügbaren Ethernet-Technologie (z.B. 100/1000Base-T) als Kupfer oder LWL-Verbindung angeschlossen. Der APL-Ethernet-Switch verfügt über mindestens einen APL-Trunk-Port, um die ihm unterlagerten APL-Field Switches anzuschließen. Da der APL-Ethernet-Switch ausreichend Leistung für alle unterlagerten Geräte zur Verfügung stellen muss, ist der Trunk nur in der Schutzart Erhöhte Sicherheit (Ex e) realisierbar. Alternativ können die APL-Field-Switches auch vor Ort versorgt werden. Die Spur-Verbindungen zwischen den APL-Field-Switches und den daran angeschlossenen Feldgeräten werden in der Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) realisiert. Dabei erfolgt der Nachweis der Eigensicherheit in der gleichen Art und Weise, wie bei Fisco. Dazu soll die bestehende Norm IEC60079-11 entsprechend erweitert werden. Ziel ist es, in dem beschriebenen Trunk-Spur-Aufbau bis zu 50 Feldgeräte anschließen zu können, denen jeweils bis zu 500mW Leistung zur Verfügung steht.

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Gemeinsam mit den Anwendern

"Wir müssen nun früh Piloten aufsetzen, um gemeinsam mit den Anwendern Erfahrungen mit der neuen Technologie zu sammeln", beschreibt Dr. Hähniche die nächsten Schritte. Dabei verweist er aber auch auf die Arbeiten, die noch zu erledigen sind. So soll an Conformance Tests und EMV-Prüfungen gearbeitet werden, um mit der Markteinführung die Interoperabilität sicherzustellen. Gleichzeitig sollen in der PI Guidelines für die Installation, Testszenarien entwickelt werde und für Referenzimplementierungen gesorgt werden. "Auch das Profinet-Profil 4.0 wird derzeit bereits angepasst, so dass ein Gerätetausch auch im laufenden Betrieb möglich ist", nennt Dr. Hähniche eine weitere wichtige Voraussetzung. Gedanklich ist man im Übrigen schon einen Schritt weiter: So beschäftigt man sich bereits mit der Machbarkeit einer 100Mbit/s-Lösung, die sogenannte APL-Phase 2. Hier werden Mitstreiter in allen Industriebereichen gesucht, die eine Lösung mit 100Mbit/s, 200 bis 500m Segmentlänge sowie einer 2-Draht-Kommunikation benötigen. Denn eins ist aus den Erfahrungen deutlich geworden. "Auch eine 100Mbit/s-Lösung wird nur über eine IEEE-Standardisierung möglich sein", so Dr. Hähniche. Auf der Achema im Juni wird es bereits ausgewählte Demonstratoren und Konzeptgeräte auf den Ständen von FCG, ODVA und PNO geben. Mit den ersten zertifizierten APL-Geräten rechnet Dr. Hähniche im Jahr 2021.

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