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Ethernet-APL wird zur Datenautobahn ins Feld

Digitale Kommunikation in der Prozessanlage
Ein Verkehrsnetz für Daten im Feld

Die Richtung ist klar, ohne Digitalisierung werden Anlagen in der Prozessindustrie weiter unter ihren Möglichkeiten bleiben. Es gibt jedoch nicht nur einen Weg dorthin. Mit Ethernet-APL steht eine Datenautobahn bereit. Aber auch die bisher installierte Gerätebasis sollte den Anschluss nicht verlieren. Feldbus- und Remote-IO-Lösungen sind daher weiterhin gefragt.

Mit Ethernet-APL können in der Prozessindustrie endlich die Vorteile einer schnellen Ethernet-Anbindung ins Feld genutzt werden. So ist nun ein durchgängiger Datenaustausch zwischen Projektierungs-, Leit- oder Asset-Management-System möglich. Inkonsistenzen durch nicht übertragene Gerätekonfiguration, etwa beim Gerätetausch, gehören damit der Vergangenheit an. Ethernet-APL ist zudem ein Enabler für zusätzliche Anwendungen wie NOA (Namur Open Architecture). NOA kann beispielsweise genutzt werden, um ein Optimierungsprogramm für Ventile oder Instandhaltungswerkzeuge anzubinden, ohne dass in die bestehende Leitsystemstruktur eingegriffen werden muss. Für die Prozessindustrie bedeutet dies, dass sie in Zukunft wesentlich flexibler und schneller auf neue und besondere Anforderungen in der Prozessautomation eingehen kann. Besonders interessant ist zudem das Flottenmanagement der installierten Gerätebasis. Mit Ethernet-APL lassen sich alle relevanten Informationen von Feldgeräten über den gesamten Lebenszyklus und vor allem werksübergreifend überwachen und auswerten. Dazu gehören Konfigurationsparameter, die Geräteidentifikation oder die Zustandsdiagnose sowie die Korrelation und der Abgleich von Prozess-, Engineering- und Wartungsdaten. Vor allem die Nutzung verschiedener Datenquellen macht den entscheidenden Unterschied zur bisherigen Situation.

Daten vom Feld ins ERP-System

Ethernet-APL ist streng als physikalische Schicht definiert und unterstützt jedes Ethernet-basierte Protokoll, einschließlich solcher mit Echtzeitfähigkeiten. Dabei erlaubt die Zweidraht-Ethernet-Technologie sowohl die Kommunikation als auch die Stromversorgung von Geräten.

Der Ethernet-APL Rail Field Switch von Pepperl+Fuchs bietet das Kernelement, indem er die Verbindung zur Instrumentierung herstellt und die Daten transparent und barrierefrei transportiert. Diese Daten können auf Wunsch bis in das ERP-System übertragen werden. Der Ethernet-APL Rail Field Switch kann auf der Hutschiene in Zone 2 installiert werden. Die Anschlüsse für Feldgeräte können 200 m lang sein und sind eigensicher für die Zone 2 (Ex ic). Über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen überträgt der Switch die Stromversorgung und die Kommunikation. Eine solche Topologie ist einfach aufgebaut und daher leicht zu bedienen und zu warten. Die Netzwerkinfrastruktur ist sehr widerstandsfähig gegenüber Störungen, selbst bei Verbindungs- und Trennvorgängen, die häufig bei Wartungsarbeiten oder dem Austausch von Geräten erforderlich sind.

Sichere Planung und Installation

Obwohl es sich um eine neue Technologie handelt, konnte sich der Switch schon in der Praxis beweisen. So startete Pepperl+Fuchs bereits 2019 mit Bilfinger Engineering + Maintenance einen ersten Test von Ethernet-APL. Im Testaufbau wurden die damals verfügbaren APL-Infrastrukturprototypen von Pepperl+Fuchs via Profinet an ein aktuelles Prozessleitsystem angeschlossen. Damit ließen sich verschiedene Anwendungsfälle aus dem gesamten Lifecycle eines Automatisierungssystems durchspielen. Dazu gehörten die Montage, die Inbetriebnahme, der Austausch von Feldgeräten und die Redundanzumschaltung. Gleichzeitig wurde der Aufwand bei Migrationsprojekten von Profibus PA auf Profinet über APL untersucht. Alle Versuchsszenarien funktionierten beeindruckend reibungslos.

Auch in der Testanlage der BASF wurde gezeigt, dass Ethernet-APL als ein Physical Layer im Bereich der Prozessautomation und als Basistechnologie für übergeordnete Anwendungen sehr gut geeignet ist. Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Technologien und Funktionen wie die automatische Rekonfiguration nach einem Gerätetausch oder die Redundanzumschaltung überzeugten inzwischen auch andere Unternehmen in der Prozessindustrie.

Generationenübergreifende Lösung

Für Profibus-PA-Instrumente bietet der Rail Field Switch eine Doppelfunktion für Stichleitungen und Instrumente. Das Feldgerät kann wahlweise das Feldbusprotokoll Profibus PA oder beliebige Ethernet-basierte Protokolle, beispielsweise Profinet, nutzen. Der Switch erkennt die vom angeschlossenen Teilnehmer gesendeten Datensignale und Protokolle. Während die Telegramme Ethernet-basierter Protokolle transparent durchgereicht werden, verwendet der Switch die standardisierten Profile für Profibus PA und ermöglicht damit eine lückenlose Einbindung der zyklischen Daten und der Konfiguration nach PA-Profil in Engineering- und Leitsysteme. Diese Lösungen sind vor allem dann interessant, wenn in der Anfangsphase der APL-Technologie noch nicht alle Geräte mit APL-Anschluss verfügbar sind, da eine Infrastruktur beide Technologien gleichzeitig betreiben kann. Ähnliches gilt bei einer Anlagenmodernisierung, bei der es die Investition in die Instrumentierung zu schützen gilt.

Immer mehr Anwender fragen sich, wie der Weg in die Digitalisierung angesichts der großen installierten Basis von 4…20-mA-Geräten gelingen kann. Zwar ist das Interesse an den Daten, die in der jetzigen Instrumentierung schlummern, groß. Der Weg, um an diese Daten zu gelangen, ist jedoch nicht immer ganz einfach. Hier bieten Remote-IO-Systeme eine gute Möglichkeit, um Zugriff auf Informationen aus 4…20-mA-Geräten zu bekommen.

Hierfür wurde das Profinet-Gateway für die LB und FB Remote I/O Systems entwickelt. Das Gateway bietet neben der herkömmlichen Profinet-Funktionalität den vollen Zugriff auf alle angeschlossenen Hart-Geräte und bildet damit eine Brücke zwischen der Feldebene und Ethernet-basierten Netzwerkstrukturen. Bis zu 80 Feldgeräte werden einzeln von jeweils einem Hart-Modem angesprochen und kommunizieren so ohne Zeitverzögerung. Das Profinet-Gateway überträgt neben den eigentlichen Sensormessungen zyklisch alle 500 Millisekunden auch die in Hart-Nebenvariablen bereitgestellten Zweitmesswerte. Zum Beispiel liefert ein Druckmessumformer nicht nur den aktuellen Prozesswert, sondern auch Temperatur des Mediums.

Im Gehäuse sicher verpackt

Die Rolle der Gehäuse in der digitalen Anlage wird gelegentlich unterschätzt. Diese müssen alle notwendigen Standards erfüllen und gezielt als Komplettlösung für explosionsgefährdete Bereiche zugelassen sein. Die Experten von Pepperl+Fuchs konfigurieren im explosionsgefährdeten Bereich installierbare Gehäuselösungen mit unterschiedlichen Komponenten als komplette Funktionseinheiten für Ethernet, Feldbus und Remote I/O.

Zwei komplett neue Gehäusebaureihen, die je nach Bedarf in Kunststoff oder Edelstahl ausgeführt sind, zeichnen sich durch Flexibilität und zahlreiche durchdachte Details aus. So wurde bereits die Switch-Größe – extra tiefe Gehäuse für den einfachen Anschluss mit ausreichendem Kabelradius – für zukünftige Ethernet-APL-Anwendungen ausgelegt. Die Gehäuse sind auch auf die speziellen Anforderungen nach Ex e und Ex i abgestimmt und passen damit optimal zu den besonderen Herausforderungen im Prozessbereich.

Ethernet-APL ist auf einem guten Weg, die Datenautobahn der Zukunft zu werden. Die existierenden Landstraßen lassen sich in dieses Wegenetz perfekt integrieren. Mit Kompetenz begleitet Pepperl+Fuchs Planer und Anwender bei der Auswahl des richtigen Weges in die digitale Welt. Das reduziert Risiken, reduziert den Aufwand und verkürzt die Zeiten für Projektierung, Installation und Inbetriebnahme.

Pepperl+Fuchs SE, Mannheim

Halle 9, Stand D76


Autor: Andreas Hennecke

Product Marketing Manager,

Pepperl+Fuchs


Michael Kessler, Executive Vice President Components & Technology, Pepperl+Fuchs

Nachgefragt:   Ethernet-APL in der Praxis

Die BASF-Testanlage gilt als Vorzeigebeispiel. Haben denn auch andere Unternehmen schon Interesse angemeldet?

Michael Kessler: Das Interesse ist groß. Viele Kunden ziehen Ethernet-APL ernsthaft in Betracht. Neugierig geworden, wie Ethernet-APL in der Praxis funktioniert, bat ein europäischer Kunde Pepperl+Fuchs kürzlich um ein spontanes Plugfest. Dort wurden unterschiedlichste Feldgeräte auf den Tisch gelegt, darunter auch welche mit einem alten Profibus-PA-Profil. Gemeinsam mit dem Leitsystemhersteller ging es an die Integration. Die gestaltete sich so unkompliziert, dass der Anwender begeistert war. So melden sich selbst die älteren Feldgeräte „persönlich“ an. Die Anbindung via Ethernet-APL funktionierte noch einfacher als gedacht. Es bleibt aber nicht nur beim Interesse, wir bekommen auch Bestellungen.

Was werden die größten Herausforderungen in der Prozessindustrie beim Umstieg zur digitalen Anlage sein?

Kessler: An die vielen Daten zu kommen, die es in einer Anlage gibt, ohne dafür einen unendlichen Aufwand treiben zu müssen. Ethernet ist die Lösung dafür, weil nur damit eine durchgängige protokollunabhängige Kommunikation möglich ist. Ethernet-APL bringt die durchgängige Kommunikation bis zu den Feldgeräten, dorthin wo die Daten entstehen. Das eröffnet Chancen Abläufe zu vereinfachen sowie Prozesse neu und robuster zu gestalten.

Um nur einen Aspekt herauszugreifen: Der Lieferant versieht das Feldgerät mit einer Messstellenbezeichnung, die das Engineering-System vorgegeben hat. Bei der Inbetriebnahme gleicht das Leitsystem die Daten aus dem Engineering automatisch mit dem ab, was installiert ist. Die Vorteile für den Anwender sind immens. Manuelle Fehler während der Inbetriebnahme werden vermieden. Das spart nicht nur Geld, weil es weniger Aufwand ist, sondern die Anlage kann auch früher in den Betrieb gehen.

Wie geht es nun weiter mit Ethernet-APL?

Kessler: Die Technologie steht. Erste Produkte sind lieferbar. Wir können Profibus-PA Geräte in die APL-Infrastruktur einbinden. Unser Remote I/O ist eine perfekte Ergänzung, mit der sich alle traditionellen Signale einbinden lassen. Der Digitalisierung im Feld steht also nichts mehr im Wege. Wir von Pepperl+Fuchs sind uns sicher, dass viele Anwender auf diesen Weg setzen werden, statt Anlagen, die noch 50 Jahre oder mehr laufen sollen mit 40 Jahre alter Technologie auszustatten.

Ethernet-APL ist eine stabile Plattform für eine Vielzahl von zukünftigen Innovationen. Es stellt den Feldgeräten mehr Leistung zur Verfügung, die für neue, heute noch nicht mögliche Funktionalität genutzt werden wird. Neue offene und einheitliche Protokolle für mehr Durchgängigkeit werden ihren Weg in die Prozessautomation finden. Ethernet-APL-Feldgeräte werden für Safety-Applikationen zertifiziert sein. Heute auf Ethernet-APL zu setzen, bringt allen Beteiligten sofort Vorteile und schafft die Grundlage in Zukunft von diesen Innovationen zu profitieren.



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