Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet -APL) beschreibt eine physikalische Schicht für die Ethernet-Kommunikationstechnologie, die speziell für die Anforderungen der Prozessindustrie entwickelt wurde.
Im Bereich der Informationstechnologie ist Ethernet längst zur Standard-Kommunikationslösung geworden. Ethernet/IP sorgt hier für die Durchgängigkeit zwischen Officenetzwerk und der zu steuernden Anlage. Bereits im März 2000 wurde Ethernet/IP unter Beteiligung der ControlNet International (CI), der Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) sowie der Industrial Ethernet Association (IEA) als offener Industriestandard veröffentlicht. Ethernet-basierte Feldbusse sind in der Normenreihe IEC 61158 zusammen mit der Normenreihe IEC 61784 standardisiert.
In den weitläufigen Produktionsanlagen der chemischen und petrochemischen Industrie sind oft lange Distanzen zu überwinden und besondere Sicherheitsmaßnahmen bezüglich Explosionssschuz zu berücksichtigen. Hierfür sind die Standard-Ethernet-Verbindungen nicht geeignet. Sie sind auf 100 m Kabellänge beschränkt, während in Prozessanlagen oftmals Distanzen von 1000 m und mehr zu überbrücken sind. Auch der typische RJ-45-Stecker ist nicht für die raue Umgebung im Feld ausgelegt.
Partner forcieren Ethernet-APL-Technologie
Ethernet mit einem Advanced Physical Layer ermöglicht große Kabellängen und Explosionsschutz durch Eigensicherheit mit Kommunikation und Stromversorgung über zwei Drähte. Basierend auf IEEE- und IEC-Standards unterstützt Ethernet-APL jedes Ethernet-basierte Automatisierungsprotokoll. Die Ethernet-APL-Bemühungen werden von einer Zusammenarbeit von Normungsorganisationen und Industriepartnern geleitet. Gemeinsam entwickeln diese Unternehmen alle Technologien, Richtlinien und Best Practices, um eine erfolgreiche Einführung der Ethernet-to-the-Field-Technologie zu gewährleisten.Ein Whitepaper dieser Ethernet-APL-Gruppe behandelt das Geschäftsumfeld, die technischen Spezifikationen, die Auswirkungen auf verschiedene Benutzertypen und den Entwicklungsstand von Ethernet-APL.
Ethernet-Spezifikationen
Ethernet APL ist ein spezielles 2-Draht-Ethernet auf Basis von 10BASE-T1L gemäß IEEE 802.3cg mit zusätzlichen Vorkehrungen für die Prozessindustrie. Die Ethernet APL-Kommunikation ist somit Teil und vollständig kompatibel mit der IEEE 802.3 Ethernetspezifikation. Die Spezifikation IEEE802.3cg-2019 definiert die Full-Duplex-Datenübertragung mit 10 Mbit/s über ein Zweileiterkabel für Distanzen bis zu 1000 m. Das ist auch die Basis zur Produktion von PHY-Komponenten (Microchips zur Codierung und Decodierung in Ethernet-APL-Geräten).
Die Übertragung erfolgt mit einer Datenübertragungsrate von 10 Mbit/s, wird 4B3T codiert und als PAM-3 moduliert und mit 7,5 MBaud vollduplex übertragen.
Aufbau von Ethernet-APL
Der Aufbau kann aus einer Stammleitung (Trunk) mit maximal 1000 m zwischen den Feldswitches in Zone 1 und Stichleitungen (Spurs) von je maximal 200 m in Zone 0 zwischen einem Feldswitch und einem Feldgerät bestehen. Durch die Verwendung einer Switched-Architektur werden unerwünschte Interferenzen zwischen Geräten, die an dasselbe Netzwerk angeschlossen sind, vermieden.
In der APL-Port-Profile-Spezifikation werden funktionale und elektrische Anforderungen mit mehreren Energiekonzepten festgelegt. Die Spezifikation beinhaltet zudem Installationsregeln wie zugelassene Kabel, Schirmung und Erdung sowie die Definition von Klemmverbindungen und M8/M12-Steckverbindern.
Spezifikation zur Eigensicherheit
Ethernet APL enthält eine Reihe von Erweiterungen, die speziell auf die anspruchsvollen Anforderungen der Prozessindustrie und anderer Branchen zugeschnitten sind wie Eigensicherheit und Portprofile für optionale Stromversorgung der Anschlüsse. In der technischen Spezifikation IEC TS 60079–47 ED1 soll das eigensichere 2-Draht-Ethernet definiert werden. Die Barriere für Eigensicherheit ist eine elektronische Schaltung an jedem Ausgang oder Eingang eines Verteilers/Switches oder Feldgerätes. Diese verhindert, dass zündfähige elektrische Energie in den Anschluss gelangt. Die Eigensicherheitsbarriere ist vom Kommunikationskreis (PHY) getrennt, welcher ein einfacher, aber wichtiger Bestandteil des Ethernet-APL-Designs ist.
Conformance-Test-Spezifikation
Um die Konformität eines Ethernet-APL-Geräts mit den genannten Spezifikationen sicherzustellen, wird eine entsprechende Testspezifikation erstellt. Diese Tests sind die Basis für die Zertifizierungen von Ethernet-APL-Geräten bei akkreditierten Prüflaboren der involvierten Nutzerorganisationen. Dadurch wird die Interoperabilität von Ethernet-APL-Geräten für den Endanwender sichergestellt.
Darüber hinaus bietet der Engineering Guideline detaillierte Informationen für die Planung, Installation und Inbetriebnahme von Ethernet-APL-Netzwerken.
Vorteile von Ethernet-APL
Die Steckverbinder und die verschiedenen Topologien ermöglichen eine einfache und flexible Installation. Der Fernzugriff und die schnelle Datenübertragung vereinfachen und beschleunigen die Inbetriebnahme einer Anlage. Die Ethernet-Kommunikation über das 2-Leiter-Feldbuskabel ist stabil. Daten aus der smarten Instrumentierung können über den „second channel“ gemäß Namur Open Architecture vorbei am Prozessleitsystem geleitet werden.
Autorin: Daniela Held
(Quellen: ethernet-apl.org, Wikipedia, Endress+Hauser)
