Carsten Habersetzer ABB Process Automation, Goettingen, Germany, Francisco Mendoza ABB Corporate Research Center, Ladenburg, Germany, francisco.mendoza@de.abb.com; Tilo Merlin ABB Process Automation, Frankfurt, Germany, tilo.merlin@de.abb.com
Die Messung von Parametern wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Dichte, Konzentration und Füllstand spielt eine entscheidende Rolle für die Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse. Zudem zwingen steigende Energie- und Rohstoffkosten, ein stärkeres Umweltbewusstsein und höhere Qualitätsstandards Anlagenbetreiber dazu, diese Prozesse genauer zu überwachen als jemals zuvor. Keine leichte Aufgabe, wenn man bedenkt, dass schon eine mittelgroße Anlage bis zu 10.000 Feldgeräte umfassen kann, die Prozessparameter messen und übermitteln.
Traditionell kommunizieren diese Feldgeräte über analoge 4–20-mA-Stromschleifen mit Steuerungen und Engineering-Tools in einer zentralen Leitwarte, wobei für die Datenübertragung vornehmlich das HART-Protokoll zum Einsatz kommt. Zwar begann mit der Einführung von Feldbussen wie PROFIBUS, Foundation Fieldbus und Modbus das Zeitalter der digitalen Kommunikation für Feldgeräte, doch HART konnte seine Position behaupten. Tatsächlich nutzt die Mehrheit der zurzeit installierten Feldgeräte weiterhin diesen Industriestandard.
Ein Feldgerät in einer 4–20-mA-HART-Schleife benötigt in der Regel weniger als 40 mW, was für den Betrieb und die Kommunikation von Temperatur-, Druck- oder Füllstandsensoren sowie einigen Durchflussmessern wie Wirbel- oder Drall-Durchflussmessern ausreicht. Auch wenn sie den Anforderungen hinsichtlich Kabellänge, Eigensicherheit, Robustheit und Einfachheit genügen, sind Stromschleifen mit drei großen Einschränkungen verbunden:
• Die Übertragungsgeschwindigkeit von 1.200 Baud entspricht bei Weitem nicht mehr den heutigen Erwartungen.
• Das Kommunikationsprotokoll ist eng mit der physikalischen Signalübertragung verbunden und lässt kein anderes Protokoll im selben Netzwerk zu, selbst wenn moderne Protokolle wie OPC UA auf einer 4–20-mA-Scheife mit über 1.200 Baud funktionieren würden (was sie nicht tun).
• HART-Telegramme können nicht durch die IP-basierten Netzwerke der oberen Ebenen der Automatisierungspyramide geroutet werden und verfügen weder über semantische Informationen, noch werden Anforderungen an funktionale Sicherheit oder Verschlüsselung erfüllt.
Hinzu kommt, dass moderne Durchfluss-, Füllstand-, Druck- und Temperaturmessinstrumente neben den primären Messdaten auch Diagnose- und Zusatzdaten liefern. Diese können nicht übertragen werden, wenn die 4–20-mA-Infrastuktur für die HART-Kommunikation in der Anlage nicht tauglich ist.
Alles in allem entstammt die analoge Übertragung einer früheren Zeit. Die Zukunft der Kommunikation in der Prozessindustrie gehört einem neuen Standard: Ethernet-APL. Bei einem Wirbel-Durchflussmesser können mithilfe von Ethernet-APL zum Beispiel der Volumendurchfluss, der Massedurchfluss, die Prozesstemperatur, Zählerstände, die Wirbelfrequenz und Diagnoseinformationen übermittelt werden. Der traditionelle 4–20-mA-Ausgang würde hingegen nur die einfache Durchflussmessung liefern, wenn die HART-Kommunikation nicht genutzt wird, was in den meisten Anlagen der Prozessindustrie der Fall ist →01. Doch die Vorteile von Ethernet-APL gehen noch weiter. So erleichtert das Protokoll die Automatisierung beim Design und Betrieb von Prozessanlagen und vereinfacht die knifflige Aufgabe, explosionsgefährdete Umgebungen mit mehr Intelligenz auszustatten.
Ethernet-APL
Ethernet-APL ist das Ergebnis jahrzehntelanger Standardisierungsbemühungen mit dem Ziel, Ethernet auf die Feldebene der Prozessindustrie bringen. Ethernet-APL ist vollständig kompatibel mit dem Standard IEEE 802.3 und erfüllt spezifische Kriterien der Prozessindustrien wie etwa die Eigensicherheit. Die Entwicklung des Protokolls wurde von den führenden Standardisierungsorganisationen FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation sowie PROFIBUS & PROFINET International unterstützt. →02 zeigt im Überblick, dass Ethernet-APL die Anforderungen der Prozessindustrie erfüllt oder übertrifft.
Vereinfachung bei Installation, Inbetriebnahme und Betrieb
Das Industrielle Internet der Dinge (IIoT) und Industrie 4.0 sind bereits feste Bestandteile der Fertigungsindustrie. Schon bald werden diese Technologien auch den Weg in die Prozessautomatisierung und Instrumentierung finden, wo sie unter anderem eine entscheidende Rolle in domänenspezifischen Konzepten wie der NAMUR Open Architecture (NOA) oder den Open Process Automation Standards (O-PAS™) des Open Process Automation Forum (OPAF) spielen werden. Ziel dieser Initiativen ist es, die Konzeption, die Inbetriebnahme und den Betrieb von Prozessanlagen zu vereinfachen. Zu den integralen Bestandteilen dieser Konzepte gehören eine umfassendere Nutzung drahtloser Lösungen, eine vereinfachte Integration von Feldgeräten und eine erweiterte Ethernet-Kommunikation [1]. Eine Möglichkeit, diese Transformation voranzutreiben, besteht in der Vereinbarung gemeinsamer Kommunikationsprotokolle für die gesamte Branche. Hier eignet sich Ethernet-APL ideal als gemeinsames Rückgrat für die Kommunikation, da es – wie auch das standardmäßige Ethernet – hinsichtlich des Kommunikationsprotokolls agnostisch ist und bis zu einem gewissen Umfang die parallele Verwendung mehrerer Protokolle in ein und demselben Netzwerk zulässt.
Nützlich in explosionsgefährdeten Umgebungen
Ein Bereich, für den Ethernet-APL besonders interessant ist, sind explosionsgefährdete Umgebungen. Feldgeräte werden häufig in Umgebungen installiert, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann. Alle Geräte, die an solchen Orten installiert sind – und auch externe Geräte, die per Kabel mit ihnen verbunden sind – müssen gemäß bestimmter Normen wie der IEC 60079 konstruiert sein und bestimmte gesetzliche Vorschriften erfüllen →03–04.
Aufgrund der einfacheren Installation und Handhabung werden eigensichere Geräte häufig den Geräten mit explosionsgeschützten Gehäusen (Schutzart „ex d“ bzw. „XP“) vorgezogen. Entsprechende Geräte oder Kabel sind dann als „eigensicher“ klassifiziert. Der Schlüssel zur Vermeidung hoher Oberflächentemperaturen, die in solchen Umgebungen zu einer Explosion führen können, ist die strikte Begrenzung der Leistung bei jedem Kabel, das in eine entsprechende Zone führt, verbunden mit einer leistungsarmen Auslegung der Geräte selbst. So ist es üblich, den Strom- und Spannungsbedarf von Feldgeräten zu begrenzen, wenn sie den Vorschriften für Eigensicherheit entsprechen sollen. Dies schließt die Verwendung von traditionellen Technologien wie standardmäßigem Industrial Ethernet aus.
Ethernet-APL bietet sich als Lösung an, da das zugrunde liegende eigensichere Zweidraht-Ethernet-Konzept (2-WISE) [2] die Spannung und den Strom zum Feldgerät begrenzt. Zudem verhindert eine elektronische Schaltung an jedem Geräteein- und -ausgang, dass zündfähige elektrische Energie in den Anschluss gelangt. Diese Eigenschaften erlauben die Installation von Ethernet-APL-Geräten auch in besonders explosionsgefährdeten Zonen und erleichtern im Falle von Prozess- oder Geräteproblemen die Wartung aus der Ferne. Darüber hinaus können Geräte mit den für 2-WISE zulässigen Leistungen komplexere Messanwendungen erfüllen und komplexere Berechnungen durchführen als bisher, was präzisere und zuverlässigere Messungen und weitere Diagnosen ermöglicht. Zudem ermöglicht das Zweidraht-System Upgrades von Zweidraht-HART und Fieldbus ohne teure Neuverdrahtung, wie sie für Vierdraht-Ethernet erforderlich wäre.
Implementierung in ABB-Durchflussmesser
ABB hat Ethernet-APL in ihren Wirbel-/Drall-Durchflussmessern vom Typ FSx430 und FSx450 implementiert. Geholfen hat dabei die langjährige Erfahrung des Unternehmens auf dem Gebiet der industriellen Kommunikation und die Zusammenarbeit mit internen Kommunikations- und Sicherheitsexperten sowie Technologieanbietern und Kunden.
Die Entwicklung basiert auf den erfolgreichen Zwei- und Vierdraht-Plattformkonzepten 2WCTW (2-Wire Common Top Works) und 4WCTW (4-Wire Common Top Works) für Messinstrumente von ABB. Diese Plattformen vereinen messungsunabhängige Merkmale wie die Kommunikationsschnittstelle, Software, Stromversorgung, Explosionsschutz, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und Gehäuse.
Bluetooth trifft Prozessinstrumentierung
Neben Ethernet-APL wurde noch eine weitere moderne Kommunikationstechnologie aus dem industriellen Bereich in den FSx430 und FSx450 integriert: Bluetooth →05.
Auch wenn Bluetooth hinsichtlich Robustheit, Stabilität und EMV noch immer mit Einschränkungen verbunden ist, kann damit auf einen Streich auf viele der komplexen Tools, Kabeladapter und spezifischen Kommunikationstreiber verzichtet werden, die von klassischen Feldinstrumenten benötigt werden. Zudem ermöglicht Bluetooth einen einfachen lokalen Zugriff über eine sichere Smartphone-App →06. Die Verwendung von Bluetooth für den lokalen Gerätezugriff bietet viele Vorteile gegenüber einem drahtgebundenen Zugriff, zum Beispiel:
• Sicherheit: Ein physischer Zugang zu Geräten, die zum Beispiel in mehreren Metern Höhe oder zwischen heißen Rohrleitungen installiert sind, ist nicht erforderlich.
• Elektrostatischer Schutz: Da drahtlose Kommunikation kontaktlos ist, kann es zu keiner elektrostatischen Entladung kommen.
• Datensicherheit: Bluetooth und ein Smartphone bieten eine effizientere Benutzerauthentifizierung durch Passwortschutz als ein lokales integriertes Display am Gerät.
Blick in die Zukunft
Der Fahrplan von ABB sieht vor, Ethernet-APL auf andere Feldmessungen wie Temperatur und Druck auszudehnen und weitere Funktionalitäten wie PROFIsafe zu implementieren, um Ethernet-APL und PROFINET für Anwendungen nutzbar zu machen, die eine funktionale Sicherheit gemäß Sicherheitsintegritätslevel (SIL) erfordern. →07. Die ABB Top Works-Plattform unterstützt die Nachrüstung des gesamten Feldgeräteportfolios von ABB, indem sie den Aufwand gegenüber der Durchführung von Einzelprojekten deutlich senkt. So können die Ressourcen gezielter zur Verbesserung des Kundennutzens eingesetzt werden.
APL ebnet den Weg für Ethernet in die Prozessautomatisierung – einschließlich der kritischsten Bereiche. ABB trägt aktiv zur Gestaltung einer vernetzten Industrie der Zukunft bei und verfolgt die Vision einer netzwerkzentrischen Architektur in der Automatisierung →08. Ethernet-APL beseitigt die Barrieren zwischen den einzelnen Ebenen der Automatisierungspyramide und verwandelt diese in einen Raum, der lediglich Server und Clients enthält, wobei die Server Daten und Funktionen bereitstellen und die Clients umfassende Steuerungs-, Visualisierungs- und Optimierungsfähigkeiten besitzen.
Literaturhinweise
[1] APL Consortium: „Ethernet – To the Field“. Verfügbar unter: https://www.ethernet-apl.org/document/ethernet-to-the-field-whitepaper (abgerufen am 03.08.2023.]
[2] IEC – International Electrotechnical Commission (2021): „IEC 60079-47 – Explosive atmospheres – Part 47: Equipment protection by 2-wire intrinsically safe ethernet concept (2-WISE)“.
[3] S. Bollmeyer, F. Mendoza: „ABB bringt Ethernet-APL mit OPC UA ins Feld“. ABB Review 03/2021, S. 60–67.
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