Christian Johansson, ABB Process Control Platform, Malmö, Sweden christian.johansson@se.abb.com
Holger Grosse, ABB Process Control Platform Minden, Germany, holger.grosse@
de.abb.com
Der im Jahr 2021 ratifizierte Ethernet-APL-Standard definiert eine erweiterte physikalische Schicht zur Übertragung von Prozess-, Konfigurations- und Diagnosedaten mit hoher Geschwindigkeit über große Entfernungen (1.000 m) mithilfe eines einzigen Twisted-Pair-Kabels. Der Einsatz dieser neuen Technologie bietet vielversprechende Möglichkeiten für die Prozessautomatisierung, insbesondere in explosionsgefährdeten Umgebungen wie Chemie-, Öl- und Gasanlagen.
Während Anlagenbetreiber versuchen, im Zuge der Konvergenz von Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT) neuen Nutzen aus ihren Daten zu ziehen, bleibt eines der übergeordneten Ziele die effektive Senkung der Gesamtkosten pro Feldmessung.
Da Feldgeräte immer zahlreicher, diverser und intelligenter werden, profitieren Betreiber nicht nur von einer größeren Verfügbarkeit von Daten, sondern sehen sich auch mit der Schwierigkeit konfrontiert, riesige Mengen von Prozess- und Wartungsdaten zu bewältigen. Diese Herausforderung steigt mit der Größe und Komplexität von Projekten, wobei häufig eine Vielzahl von Instrumenten mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen und zugrunde liegenden physikalischen Schichten zum Einsatz kommt.
Daher suchen Anlagenbetreiber eine einheitliche, eigensichere und kostengünstige Kommunikationstechnologie auf der Grundlage robuster offener Industriestandards, die eine Anbieterbindung verhindert und eine reibungslose Skalierung mit sich entwickelnden Geschäftsanforderungen ermöglicht.
Ethernet-APL beseitigt mehrere dieser Herausforderungen und erweitert das „traditionelle“ Ethernet um eine physikalische Schicht für den Einsatz in industriellen Umgebungen. Dabei eignet sich Ethernet-APL besonders für den Einsatz in Kombination mit den weit verbreiteten Technologien PROFINET und FDI (Field Device Integration).
Was ist Ethernet-APL
Die im Standard IEEE 802.3 spezifizierte Ethernet-Technologie ist seit Jahrzehnten eine bedeutende Stütze der IT-Welt und bildet die Grundlage für andere Abstraktionsschichten, die zusammen die Verbindung und den Datenfluss zwischen verschiedenen Geräten und Systemen definieren. Als etablierter Standard für drahtgebundene Technologie in Industrie und Wirtschaft wird Ethernet bereits als physikalische Schicht zur Erfassung von Daten und Steuerung von Remote-I/O-Systemen und elektrischen Geräten genutzt, die Protokolle wie PROFINET und Modbus TCP verwenden. Einer breiteren Verwendung von Ethernet für Feldgeräte in der Prozessindustrie stand bislang jedoch die Tatsache im Wege, dass die Technologie für einige Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen wie etwa Ölraffinerien ungeeignet ist. Bei solchen Anlagen sind neben einer hohen Kosteneffizienz und Einfachheit noch weitere Merkmale wie die Möglichkeit zur Datenübertragung und Stromversorgung von Geräten über große Entfernungen, eine hohe Sicherheit (z. B. Explosionsschutz) und die Reparierbarkeit zu jeder Zeit und bei jedem Wetter gefragt.
Seit 2015 arbeitet ABB zusammen mit anderen Herstellern und Standardisierungsorganisationen an der Entwicklung von entsprechenden Technologien, Richtlinien und Best Practices zur Verbesserung der Ethernet-Konnektivität auf der Feldebene und ebnet somit den Weg für den Einsatz in der Prozessautomatisierung.
Ethernet-APL baut auf offenen IEC- und IEEE-Standards wie IEEE 802.3cg-2019 auf und definiert eine erweiterte Schicht für Single-Pair-Ethernet (SPE) auf der Basis von 10BASE-T1L, die die Vorzüge und Skaleneffekte der schnellen Ethernet-Kommunikation ins Feld transportiert →01. Zudem bietet Ethernet-APL verschiedene spezifische Merkmale, die für den Anlagenbetrieb von Vorteil sind und die direkte Anbindung an Unternehmenssysteme vereinfachen →02. Dazu gehören:
- Datenübertragungsraten von bis zu 10 Mbit/s, die um ein Vielfaches (> 300-mal) höher sind als die der Jahrzehnte alten HART- und Fieldbus-Protokolle.
- Ein einzelnes verdrilltes Adernpaar in einem abgeschirmten Kabel, das die gleichzeitige Übertragung von Prozessdaten, Gerätekonfigurationen, Diagnosedaten sowie die Stromversorgung von Endgeräten ermöglicht.
- Unterstützt in der Prozessindustrie gängige Trunk-und-Spur-Netzwerktopologien mit einer Trunk-Länge von bis zu 1.000 m, was um das Zehnfache länger ist als die Grenze von 100 m beim normalen Ethernet.
- Eigensicherheit ist vollständig gewährleistet, einschließlich einer Begrenzung der Spannungs- und Stromversorgung, um die Gefahr von Funkenbildung in explosionsgefährdeten Umgebungen auszuschließen.
- Funktioniert mit den meisten gängigen Industrial-Ethernet-Protokollen (einschließlich PROFINET, Modbus TCP und OPC UA).
Skalierbar, einfach und kostengünstig
Durch die Bereitstellung eines Hochgeschwindigkeits-Kommunikationskanals für Prozess-, Konfigurations- und Diagnosedaten bietet Ethernet-APL eine leicht skalierbare Lösung zum Anschluss von Feldgeräten an ein verteiltes Leitsystem (Distributed Control System, DCS) über ein einziges Kabel, das auch zur Spannungsversorgung der Feldgeräte dient.
Darüber hinaus vereinfacht Ethernet-APL die Installation erheblich, denn es kann auf die traditionellen I/O-Module von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) oder DCS verzichtet werden, da der Controller statt indirekt über ein I/O-Modul, das analoge Standardsignale umwandelt und an die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) sendet, direkt auf die Gerätedaten zugreifen kann.
Netzwerkgeräte und Feldgeräte für Ethernet-APL kommen zunehmend auf den Markt [1], und ABB hat die Technologie bereits in einigen größeren Automatisierungsprojekten eingesetzt. Dabei wurde Ethernet-APL mit dem Leitsystem ABB Ability™ System 800xA und der PROFINET-Kommunikationsschnittstelle CI871 kombiniert →03.
Bis zu 252 Feldgeräte können über einen APL-Netzwerkring direkt an einen Controller angeschlossen werden. Über denselben PROFINET-Ring können auch Remote-I/Os angebunden werden, um Hilfssignale von nicht APL-fähigen Geräten zu erfassen. Eine solche Kombination von Technologien hilft dabei, das Engineering zu vereinfachen. So benötigt die Lösung im Vergleich zu klassischen Lösungen mit I/O-Geräten und früheren Feldbuslösungen wie PROFIBUS PA oder Foundation Fieldbus auch weniger Platz in Schaltschränken. Der einfache und schnelle Zugang zu Diagnose- und Konfigurationsdaten der Geräte beschleunigt die Inbetriebnahme und Fehlerbehebung, und durch den Einsatz von Asset-Management-Lösungen können die Lebenszykluskosten reduziert werden →04.
Ethernet-APL ergänzt PROFINET
Während der Marktanteil anderer Feldbustechnologien in den letzten zehn Jahren stetig zurückgegangen ist, hat sich das Kommunikationsprotokoll PROFINET als dominierende Plattform für Industrial Ethernet etabliert. PROFINET nutzt die bewährten Eigenschaften von Ethernet wie eine hohe Zuverlässigkeit und bietet verschiedene Merkmale, die speziell für den Einsatz in Prozessautomatisierungsumgebungen konzipiert sind. Dazu gehören Redundanz, die Möglichkeit zur Konfiguration im laufenden Betrieb, das PA-Profil und funktionale Sicherheit (mit PROFIsafe als optionales Merkmal).
Die Attraktivität von PROFINET, das bereits in Remote-I/O-Anwendungen und bei der Integration elektrischer Anlagen breite Anwendung findet, wird durch die bevorstehende Einführung einer neuen Generation von Ethernet-APL-Geräten und die Bemühungen von Geräteherstellern zur Implementierung von PROFINET mit dem PA-Profil 4.02 weiter gestärkt.
Das PA-Profil 4.02 bietet Nutzern eine größere Freiheit auf dem Weg zu einem effizienten Engineering, indem es echte Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller gewährleistet. Das PROFINET-Protokoll bietet zwar eine zuverlässige Möglichkeit zur Übertragung von Daten über ein Netzwerk, ordnet den Daten aber keine konkrete Bedeutung oder Struktur zu. Diese Funktion übernehmen Anwendungsprofile, die als zusätzliche Abstraktionsschicht zwischen der Geräteanwendung und dem Netzwerkstack fungieren. Dies vereinfacht die Schnittstelle und sorgt für echte Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Bei der Erstellung von Programmcode für eine Regelungsanwendung kann der Anwendungsingenieur anstatt mit dem spezifischen Gerät mit dem Profil arbeiten, was eine vom Gerätehersteller unabhängige Wiederverwendung von Wissen, Code und Fehlerbehebungsmethoden ermöglicht.
Da das Gerät über das Profil angebunden ist, kann es problemlos ausgetauscht werden, solange das neue Gerät das gleiche Profil unterstützt. Man geht davon aus, dass etwa 80 Prozent aller Geräte in der Lage sein werden, dieses generische Profil zu nutzen, während nur 20 Prozent ein spezifisches Profil benötigen werden. Typischerweise wird zum Beispiel für komplexere Geräte wie Ventilstellungsregler oder Analysatoren ein spezifischer Gerätetreiber verwendet.
Eine bedeutende Anforderung in der Prozessindustrie ist die Möglichkeit, Konfigurationsänderungen im laufenden Betrieb vornehmen zu können, ohne eine Störung des Prozesses zu verursachen, die zu Ausfallzeiten und/oder Geschwindigkeits- bzw. Qualitätseinbußen führen könnte. PROFINET bietet entsprechende Funktionalitäten, die unter anderem das Umkonfigurieren, Hinzufügen, Entfernen oder Ersetzen von Geräten oder Modulen im laufenden Betrieb erlauben. Darüber hinaus können Anlagenmodifikationen und -erweiterungen in einem laufenden System vorgenommen werden. Das automatische Ersetzen von Geräten in Kombination mit der Geräteinteroperabilität des PA-Profils 4.02 hilft der Systemwartung dabei, einen unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten und Ausfälle oder komplexe Wartungsarbeiten zu jeder Tageszeit zu bewältigen.
Ein weiteres bedeutendes Merkmal von PROFINET ist die hohe Zuverlässigkeit. Die Bereitstellung mehrerer Redundanzebenen –einschließlich der obligatorischen Integration der S2-Redundanz bei PROFINET PA-Profil 4.02-Geräten – sorgt dafür, dass die Anforderungen der meisten realen Prozessautomatisierungsanwendungen erfüllt werden.
Durch die Integration von Sicherheitsanwendungen mithilfe von PROFIsafe, wodurch eine funktionale Sicherheit bis Performance Level (PL) e und Safety Integrity Level (SIL) 3 auf der Feldebene gewährleistet wird, lässt sich eine einheitliche Kommunikationstechnologie für die Prozessautomatisierung realisieren, die über das gesamte Spektrum industrieller Umgebungen – einschließlich solcher mit hohen Gefahrenpotenzial – anwendbar ist.
Diagnoseinformationen für Leitwartenpersonal
Werden Zustände und Anzeigen gemäß NAMUR NE107 nativ unterstützt, können Diagnoseinformationen von Ethernet-APL-Geräten über die Steuerungsanwendung auf den Bedienbildschirmen des ABB Ability™ System 800xA® Operator Workplace bereitgestellt werden →05. Diese einfache Verfügbarkeit von Diagnoseinformationen ermöglicht es dem Anlagenpersonal, im Rahmen des alltäglichen Betriebs proaktiv zur Betriebsmittelwartung beizutragen.
Gerätekonfiguration mit FDI über PROFINET
Der ABB Field Information Manager (FIM) vereinfacht die Konfiguration, Inbetriebnahme, Diagnose und Wartung von Feldgeräten. Eine typische FIM-Implementierung mit Ethernet-APL dient als direkte Brücke zum PROFINET-Netzwerk. FIM ist in der Lage, FDI-Gerätepakete (Device Packages) zu scannen, automatisch zu erkennen und angeschlossenen Ethernet-APL-Geräten zuzuordnen. Durch den direkten Anschluss an das PROFINET-Netzwerk ist zudem eine Trennung vom unternehmenskritischen Leitsystem im Sinne der NOA-Philosophie (NAMUR Open Architecture) gewährleistet.
FIM unterstützt die Integration von Feldgeräten per EDD (Electronic Device Description), FDI-Paketen oder Device Package gemäß neuestem PA-Profil 4.02. Letzteres wird verwendet, wenn Kunden von der Interoperabilität zwischen Feldgeräten profitieren möchten. Ethernet-APL-Switche sind ebenfalls in FIM integriert, sodass derselbe Workflow und dieselben Tools zur Konfiguration und Diagnose verwendet werden können →03.
Darüber hinaus bietet FIM eine OPC-UA-Schnittstelle zur Nutzung von Diagnose- und Leistungsdaten von Geräten für Anwendungen wie das Asset-Performance-Management. Mithilfe des Informationsmodells PA-DIM (Process Automation – Device Information Model) kann der Datenstrom zu Edge-Geräten und zur Cloud weiter standardisiert werden.
Überwachung von Wartung, Zustand und Leistung
Der hohe Datendurchsatz von Ethernet-APL ermöglicht Asset-Management-Anwendungen zur Überwachung der Wartung, des Zustands und der Leistung ganzer Feldgeräteflotten. Diese Diagnosedaten können sowohl dem Bedienpersonal in der Leitwarte alsauch Personen außerhalb des Leitsystems - zum Beispiel in der Wartung – zur genaueren Analyse zur Verfügung gestellt werden →04. Dies ermöglicht eine bessere Zusammenarbeit zwischen unterschiedlichen Teams im Hinblick auf die Wartung.
Gemäß der NAMUR-Empfehlung NE107 helfen diese Diagnosedaten dem Bedien- und Wartungspersonal bei der Identifizierung möglicher Ausfallursachen und bieten Unterstützung bei der Lösung von Problemen mit Feldgeräten.
Die Verwendung von ABB Ability™ Edgenius mit APM-Anwendungen (Asset Performance Management) eröffnet neue Möglichkeiten zur frühzeitigen Erkennung von Problemen und trägt so nicht nur zur Sicherung eines durchgängigen Betriebs, sondern auch zur Optimierung der Wartung und Reduzierung der Kosten für ganze Feldgeräteflotten bei.
Die perfekte Lösung
Im schnelleren und einfacheren Zugang zu Daten liegt der Schlüssel für Unternehmen, die ihre Leistung durch eine bessere Prozesssteuerung optimieren wollen. Ethernet-APL hilft dabei, viele Hürden zu überwinden, die in der Vergangenheit das Erfassen, Weiterleiten und Abrufen von Daten in industriellen Anwendungen erschwert haben. Das gilt insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Damit stellt Ethernet-APL die perfekte Lösung dar, um die steigenden Anforderungen an Prozessleitsysteme zu erfüllen.
Da Ethernet-APL viele Herausforderungen beseitigt, die mit dem Einsatz von „traditionellem“ Ethernet als physikalische Schicht in einem industriellen Umfeld verbunden sind, eignet sich der Standard ideal für Prozessanlagen, besonders in Kombination mit den verbreiteten Technologien PFOFINET und FDI.
Literaturhinweis
[1] APL Consortium, “Ethernet-To the Field”, White paper, 2021, pp. 1 – 17, Available: https://www.ethernet-apl.org/wp-content/uploads/2022/08/Ethernet-APL_Ethernet-To-The-Field_EN_FINAL_June-2021.pdf [Accessed: Jan. 7, 2024.]
