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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Kommunikation Vision

Kommunikation Vision wird Realität: Ethernet im Feld Neuer Standard für die Prozessindustrie Autoren: Dr. Jürgen Ficker, Produktmanager bei der SIEMENS AG Frank Riemenschneider, Senior Marketing Manager SEGGER Microcontroller GmbH www.segger.com Prozessanlagen müssen für Menschen, Produkte und Umwelt sicher sein. Ethernet ist der De-facto-Kommunikationsstandard, erfüllt aber die Anforderungen der Prozessautomatisierung nicht ohne Modifikation. Ethernet mit einem Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) ermöglicht über zwei Adern große Kabellängen, Explosionsschutz, Kommunikation und Energieversorgung. Basierend auf IEEE- und IEC-Standards unterstützt Ethernet- APL jedes Ethernet-basierte Automatisierungsprotokoll und wird sich zu einer wichtigen, langfristig stabilen Technologie für die gesamte Prozessautomatisierung entwickeln. Mit dem immer weitergehenden Siegeszug des Ethernets in die verschiedensten Bereiche der Industrie begannen auch in der Prozessindustrie die Überlegungen zu einer neuen Kommunikationsform. Zwar gab es bereits die vielfach verbreitete 4-20 mA-Kommunikation, die mit dem HART Protokoll auch digital kommunizieren kann, sowie auch die rein digitalen Feldbusse Profibus PA und Foundation Fieldbus. Trotzdem vermissten die Anwender hauptsächlich die Benutzerfreundlichkeit, die zum einen aufgrund der langsamen Datenrate sehr begrenzt ist und zum anderen bei der Implementierung besonderes Wissen erfordert. Herausforderung Explosionsschutz Eine neue Kommunikation, die vor allem diese Benutzerfreundlichkeit im Blick hat, sieht sich aber in der Prozessindustrie noch weiteren Herausforderungen gegenüber. Allen voran steht dort das Thema Explosionsschutz an erster Stelle. Stellt man sich eine Raffinerie vor, die mit brennbaren und explosiven Stoffen arbeitet, so muss sichergestellt sein, dass elektronische Geräte sowie deren Kommunikation nicht zu einer Explosion führen. Bleibt man beim Beispiel der Raffinerie, so ist allein die Ausdehnung der Industrieanlage deutlich größer, als man dies von einer Fabrikfertigung her kennt. Das führt zu der wichtigen Forderung, dass Leitungslängen bis zu einem Kilometer möglich sein müssen. Eine klare Herausforderung gegenüber den 100 m eines Standard-Ethernets. An dem Vergleich zwischen einer Fertigung in einer Fabrik und der Prozessanlage einer Raffinerie sieht man auch eine weitere Forderung: Geräte und deren Kommunikation müssen robust und einfach sein. Geräte und Anschlusstechnik sollen über 20 Jahre funktionieren und müssen vor allem bei Nacht und schlechtem Wetter reparierbar sein. Daraus resultiert der Wunsch nach maximal zwei Kommunikationsdrähten, die neben dem Protokoll auch die Energieversorgung der Geräte übertragen. Neuer offener Standard: „Ethernet-APL“ Führende Zulieferer und Normungsorganisationen der Prozess- Bild 1: Diese Hersteller und Organisationen haben an der Definition des Ethernet-APL-Standards mitgewirkt. Die Projektleitung oblag Siemens. © SIEMENS 26 Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2022

Kommunikation Bild 2: Ziele der digitalen Transformationen von Prozessanlagen. © Profibus-Nutzerorganisation industrie haben sich daher für die Entwicklung und Verabschiedung eines neuen offenen Standards für eine physikalische Ethernet- Schicht zum Einsatz in der Prozessautomatisierung und -instrumentierung zusammengeschlossen (Bild 1). Diese neue physikalische Ethernet-Schicht, kurz auch „Ethernet-APL“ genannt, wird zusammen mit den Automatisierungsprotokollen einer der Schlüsselfaktoren für das IIoT in der Prozessautomatisierung und eine wesentliche Voraussetzung für die Ausweitung der digitalisierten Welt auf die Prozessautomatisierung und -instrumentierung sein (Bild 2). Ethernet-APL ermöglicht eine logische Erweiterung der Ethernet-basierten Kommunikation von Unternehmenssystemen in die Feldebene. Dieser letzte Meter der Ethernet-Konnektivität ermöglicht es der Unternehmenszentrale, Daten aus allen Regionen ihres umfangreichen Netzwerks zu erhalten. Ethernet ist ein weithin akzeptierter Standard für kabelgebundene digitale Kommunikation, der in IEEE 802.3 standardisiert ist. Seine breite Akzeptanz hat ein Ökosystem von standardisierten Tools für Installation, Fehlersuche und Diagnose geschaffen. 1000 m kommuniziert. Im Vergleich zu HART oder zum Feldbus ist das mehr als 300 mal schneller. Als physikalische Schicht im OSI-Schichtenmodell (Schicht Nr. 1) unterstützt Ethernet-APL jedes andere übergeordnete Protokoll in den OSI- Schichten 5 bis 7 wie z. B. PROFI- NET, EtherNet/IP, HART-IP oder OPC-UA. Protokolle der Anwendungsschicht, die seit vielen Jahren vor allem in der diskreten Automatisierung eingesetzt werden, können problemlos implementiert werden. Im Rahmen der Erweiterung der Spezifikationen auf der physikalischen Schicht von Ethernet-APL können auch die entsprechenden Prüfvorschriften und Zertifizierungen angepasst werden. Damit wird sichergestellt, dass die Implementierungen den Standards entsprechen. Die Kommunikation basiert auf 10BASE-T1L, wie es im IEEE- Standard 802.3cg-2019 definiert ist. Die zusätzlichen für die Prozessindustrie notwendigen elektrischen Eigenschaften folgen den entsprechenden IEC-Normen und sorgen für Interoperabilität und Einfachheit in der Anwendung. Komponenten und Topologien Ethernet-APL beinhaltet ausschließlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wobei jede Verbindung zwischen Kommunikationspartnern ein sogenanntes „Segment“ darstellt. Ethernet-APL-Switches isolieren also die Kommunikation zwischen den Segmenten, von denen es zwei Arten gibt: Der „Trunk“ liefert hohe Leistungs- und Signal pegel für große Kabellängen von bis zu 1000 m und das „Spur“-Segment eine geringere Leistung mit optionaler Eigensicherheit für Längen von bis zu 200 m. Ein sogenannter in der Regel von außen gespeiste Power-Switch speist elektrische Energie und Kommunikation in einen oder mehrere Trunk-Ports ein. Der Field-Switch bietet mindestens einen Port, an den eine Stichleitung angeschlossen werden kann. Er kann über den Ethernet-APL-Trunk oder extern mit elektrischer Energie versorgt werden. Port-Profile legen die Pegel für die elektrische Energieversorgung und die Kommunikationssignale fest, um die Interoperabilität zu gewährleisten: Es gibt P (Powered, Energiequelle), L (Load, Energieverbraucher) und C (Cascade, für Daisy- Chain-Konfigurationen). Ethernet-APL spezifiziert Feldbuskabel Typ A, IEC 61158-2 als Referenzkabel der AWG-Klassen 22 – 14 mit einem Verdrahtungsquerschnitt von 0,324 bis zu 2,5 mm 2 . Dies ermöglicht einfache Migrationsstrategien für bestehende Feldbusinstallationen, einschließlich der Unterstützung der Eigensicherheit. Ethernet-APL schreibt beim Spur Polaritätsunabhängigkeit vor, was Verdrahtungsfehler bei der Installation reduziert. Bild 3 fasst die Eigenschaften von Ethernet-APL im Vergleich zu anderen Kommunikationstechnologien zusammen. Ethernet-APL ist so konzipiert, dass es verschiedene Installationstopologien mit optionalen Redundanz- oder Ausfallsicherheitskonzepten unterstützt. Vorteile im Betrieb Die Anlageneffizienz wird ein immer wichtigeres Thema in der Prozess- Der neue Standard Ethernet-APL Ethernet-APL ist die logische Erweiterung von Ethernet und bietet die Eigenschaften, die für einen zuverlässigen Betrieb im Feld einer Prozessanlage erforderlich sind. Es handelt sich um eine erweiterte physikalische Schicht für Single-Pair- Ethernet (SPE), die auf 10BASET1L basiert und mit 10 Mbit/s voll-duplex über eine Kabellänge von bis zu Bild 3: Vergleich unterschiedlicher Kommunikationstechnologien für das Feld in Prozessanlagen. © Profibus-Nutzerorganisation Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2022 27

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