Ethernet APL | Aktueller Stand, Anwendungen und Umsetzung
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Spezifikationen wurden international standardisiert, Maßnahmen für Konformitätstests sind umgesetzt, erste Produkte werden freigegeben: Nach fast vier Jahren Zusammenarbeit zwischen der Fieldcomm Group, ODVA, OPC Foundation und Profibus & Profinet International (PI) sowie 12 namhaften Projektpartnern wie Pepperl+Fuchs, freuen sich alle Beteiligten über den erfolgreichen Abschluss des Ethernet APL Projekts. Informieren Sie sich hier über die neuesten Entwicklungen:
Inhalt der Titelstory
- Infrastruktur für alle Signalarten in der Prozessanlage
- Ethernet APL ist jetzt verfügbar
- Funktionen von und Anforderungen an Ethernet APL
- Die Zeit ist reif für Ethernet APL – Videos
- Physical Layer macht Ethernet für Prozessautomation salonfähig
- Was ist Ethernet APL?
Infrastruktur für alle Signalarten in der Prozessanlage
23.01.2023 | Mit dem Ethernet-APL Rail Field Switch von Fieldconnex versetzt Pepperl+Fuchs die Prozessindustrie ins Zeitalter der digitalen Automation. Der Advanced Physical Layer (APL) basiert auf der bewährten Feldbus Verkabelung. Daher nutzt er die vielfach vorhandene Infrastruktur. So entsteht eine noch nie dagewesene Transparenz der gesamten Anlage sowie ein ungehinderter Datenfluss vom Feldgerät bis in die Cloud.
Die im Sommer 2022 verabschiedete, international standardisierte APL-Technologie beruht auf IEC und IEEE Standards, anerkannten offenen Protokollen und Datenmodellen. Autorisierung, Authentifizierung und Geräteidentifikation übernehmen bewährte IT-Technologien. Die Geräte melden sich automatisch an und stellen ihre Device Descriptions zur Verfügung. Der Geräte Austausch erfolgt im Plug-and-play Modus. Die offenen Standards verhindern eine Abhängigkeit von einzelnen Lieferanten.
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Pepperl+Fuchs bietet die Infrastruktur für die digitale Kommunikation: Von Ethernet-APL fähiger Instrumentierung über den Feldbus Profibus PA bis hin zu klassischen analogen Signalen lassen sich Feldgeräte in jedem Ex-Bereich über Remote I/O und Switches einbinden.
Pepperl+Fuchs stellt aus auf der Hannover Messe 2023.
Ethernet APL ist jetzt verfügbar
23.08.2022 | Spezifikationen wurden international standardisiert, Maßnahmen für Konformitätstests sind umgesetzt, erste Produkte werden freigegeben: Nach fast vier Jahren enger und fruchtbarer Zusammenarbeit zwischen den vier führenden Standardisierungsorganisationen Fieldcomm Group, ODVA, OPC Foundation und Profibus & Profinet International (PI), unterstützt von 12 namhaften Projektpartnern wie Pepperl+Fuchs freuen sich alle Beteiligten über den erfolgreichen Abschluss des Ethernet APL Projekts. Das Ergebnis ist eine verfügbare 10 Mbit Technologie für einen neuen eigensicheren auf 2-adrige Kabel ausgelegten Physical Layer.
Den am Ethernet APL-Projekt beteiligten Experten war es wichtig, dass sich die Spezifikationen von IEEE 802.3cg (10BASE-T1L) für den Einsatz in der Prozessautomatisierung eignen. Außerdem sollte die Technologie auf einem IEEE-Standard basieren, um eine ideale Basis für die Ethernet APL-Technologie zu bilden.
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Daher wurden auch die Aktibitäten zur IEEE Standardisierung intensiv unterstützt. Für eine Lösung für die Eigensicherheit, welche die Anforderungen der Prozessindustrie erfüllt, arbeiteten die Experten eng mit der Zertifizierungsstelle für Eigensicherheit vom TÜV zusammen. Dabei werden die Konzepte für den Explosionsschutz validiert und die Standardisierung von Ethernet-APL in der IEC vorbereitet.
Wichtigste Ergebnisse des APL-Projekts
Die wichtigsten Ergebnisse des APL-Projekts sind Spezifikationen von Portprofilen zur Unterstützung von Lösungen für mehrere Leistungsstufen mit und ohne Explosionsschutz und Engineering-Richtlinien. Ebenso soll Best Practices zu Planung, Installation, Testspezifikationen und -werkzeuge die Konformität sicherstellen. Der nun einheitlich verfügbare Physical Layer steht für Ethernet/IP, Hart-IP, OPC UA, Profinet oder andere übergeordnete Netzwerkprotokolle zur Verfügung.
Für die zeitnahe, effiziente Implementierung der Ethernet-APL-Technologie in Produkte, hat das Projekt auch mit Halbleiterherstellern zusammengearbeitet. So konnten bereits 10BASE-T1L-Phy-Chipsätze auf den Markt gebracht werden. Diese ermöglichten den Industriepartnern, ihre Produkte noch vor Ende des Projekts auf den Markt zu bringen. Jetzt können alle interessierten Unternehmen Ethernet-APL in ihre Produkte integrieren.
Die Endanwender haben inzwischen großes Interesse am Einsatz von Ethernet-APL in ihren Anlagen. Einige Unternehmen haben bereits erfolgreiche Feldversuche durchgeführt. Procter & Gamble und BASF haben z. B. in internen Tests nachgewiesen, dass sich die Kommunikationstechnologie bestens für den Einsatz in Process Anwendungen eignet. Zur langfristigen Unterstützung der neuen Technologie haben die beteiligten Standardisierungsorganisationen vereinbart, die technischen und Marketing-Assets gemeinsam zu pflegen und die internationalen Bemühungen zur Standardisierung fortzusetzen.
Funktionen von und Anforderungen an Ethernet APL
11.07.2022 | Ist die Zeit reif für Ethernet APL? Pepperl+Fuchs meint Ja und präsentiert den ersten Switch für die Montage in Feldgehäuse oder Schaltschrank. Der Advanced Physical Layer für Ethernet überbrückt die heute noch bestehende Kluft zwischen Leittechnikraum und Feldebene in Anlagen der Prozessindustrie. Der Beitrag zeigt den aktuellen Stand dieser größten, gemeinsamen Entwicklung von vier Dachverbänden und zwölf namhaften Herstellern für Kommunikationstechnik sowie deren praktische Anwendung und Umsetzung.
Ex geschütztes Handy für Alleinarbeiter und Industrie 4.0
„Vor über zehn Jahren haben wir die Reise angetreten zu einem Ethernet, welches es uns erlaubt, den Physical Layer auf zwei Drähte zu bringen“, blickt Andreas Hennecke, Produktmarketingmanager bei der Pepperl+Fuchs SE, zurück.
In der Fertigungsindustrie sind Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things (IIoT) bereits selbstverständlich geworden. Ethernet ist die ultimative Kommunikationstechnologie in diesen Unternehmen. Sie erfüllt jedoch nicht die Anforderungen der Feldgeräte einer Anlage in der Prozess Automation.
Der Ethernet Advanced Physical Layer Ethernet-APL erfüllt diese Anforderungen. Ethernet-APL erfüllt eine hohe Akzeptanz bei allen Marktteilnehmern, weil es als reiner Physical Layer alle Protokolle und Funktionen übertragen kann. Die Kommunikationstechnik unterstützt jedes Ethernet basierte Automatisierungsprotokoll und soll sich zu einer einzigen, langfristig und stabilen Technologie für die gesamte Prozessautomatisierung entwickeln.
Gute Gründe für Ethernet APL
„Alle unsere Anwender wünschen sich die digitale Transformation und wir wollen sie auch im Feld der Prozessautomation ermöglichen. Unsere Motivation ist es, eine auf das Feld exakt passende Physik für das Ethernet mit der notwendigen Datenautobahn um die Digitalisierung herum voranzutreiben“, so Herr Hennecke. Anwenderverbände fordern einen barrierefreien Zugang. Der für die Betreiber kostenintensive und deswegen für eine Digitalisierung attraktive Bereich soll effektiver betrieben werden.
Eine Kooperation von zwölf namhaften Lieferanten und vier renommierten Anwender- und Standard-Organisationen hat es sich zur Aufgabe gemacht, diesen Übertragungsweg exakt auf die Bedürfnisse der Prozessindustrie zuzuschneiden und die eine Datenautobahn zu etablieren.
Zusammen haben sie die Zielsetzung definiert, dass Ethernet-APL für die Prozess Automation in international gültige Normen einfließt. Die Kommunikation wurde bereits als 10BASE-T1L im bekannen IEEE 802-Standard veröffentlicht. Auch die „Community Draft for Vote“ für den Schutz in explosionsgefährdeten Bereichen mit Eigensicherheit wurde veröffentlicht. Damit ist eine Verabschiedung durch das IEC Gremium so gut wie sicher.Der Standard gewährleistet in der Prozessautomation die Kompatibilität von Ethernet APL Teilnehmern, auch Knoten genannt. Auch die weiteren Definitionen sind weit fortgeschritten. Die Technologie wird so für alle Marktteilnehmer zugänglich. Im Juni 2021 werden die Arbeiten zur Standardisierung abgeschlossen und stehen dann allen Marktteilnehmern zur Verfügung.
Ethernet und Ethernet APL
Ethernet-APL geht weit über die Definition der Kommunikation nach IEEE Standard hinaus. Der Standard für die Prozessautomatisierung definiert alle Eigenschaften: Die Zweidrahtleitung, steckbare Klemmen und verpolungssichere Geräte ermöglichen eine einfache Installation. Eine hohe Festigkeit gegen elektromagnetische Störungen (EMV), Blitzschutz und der anwenderfreundlich gestaltete Explosionsschutz schaffen Interoperabilität.
"Wie bei Pepperl+Fuchs üblich, ist bei unserem Ethernet-APL auch der Schutz von explosionsgefährdeten Bereichen möglich", so Herr Hennecke. „Und weil Ethernet in diesem Fall ja nur der Physical Layer selber ist, lassen sich später zusätzliche Technologien darauf aufrüsten.“
Die Arbeitsgruppen definieren Tests, nach denen alle Geräte zertifiziert werden. Die Definitionen und die bei den Anwenderorganisationen in der Entwicklung befindlichen Prüfungen schaffen die Grundlage für die Kompatibilität.
Industrial Ethernet in der Feldebene bietet mehr Messwerte und eine präzisere Übertragungstechnik. Zudem ermöglicht die Datenübertragungstechnik einen parallelen Zugang mehrerer Systeme oder Bedienstationen, weil Ethernet verschiedene Protokolle gleichzeitig transportieren kann. Es ermöglicht allen Beteiligten das datengestützte Arbeiten in einer Prozessanlage. Ethernet Switches ersetzen die früher erforderlichen Netzübergänge und Gateways. Die Zuordnung der Daten am Protokoll Übersetzer und der damit verbundene Planungs- und Konfigurationsaufwand entfällt.
Der Betreiber kann Daten von Steuerungs- und Wartungsstationen automatisch mit Feldgeräte Informationen anreichern. Die höher aufgelösten digitale Daten ermöglichen in Kombination mit Konfigurations- und Diagnose-Daten Erkenntnisse über die Zustände von Prozessen und Geräten. So ist eine präzisere Führung der Anlage und eine vorrausschauende Instandhaltung möglich.
Infrastruktur von Ethernet-APL
Die Installation von Ethernet-APL muss an die Bedingungen aller Anlagenarten anpassbar sein. Kernelement hierfür ist der APL Switch. Er stellt sicher, dass die Instrumentierung verbunden ist und transportiert die Daten transparent und barrierefrei. So lassen sich Daten bis in das ERP System übertragen. Sie unterstützen Gigabit oder Fast Ethernet und können in jede überliegende Netzwerke Architektur, optional mit Redundanz, eingebunden werden. Die Geräteanschlüsse können mit bis zu 200 m Länge mit Eigensicherheit in jede explosionsgefährdete Zone oder Division führen.
Ein erster Switch für die Montage in Feldgehäuse oder Schaltschrank ist der Fieldconnex von Pepperl+Fuchs. Dieser auf der Hutschiene installierbare Field Switch kann in Zone 2 installiert werden. Die Anschlüsse für Feldgeräte können 200 m lang sein und sind für die Zone 2 eigensicher mit Geräteanschlüssen als Ex ic klassifiziert. Der Fieldconnex ist höchst zuverlässig in der digitalen Kommunikation. Anwender erfahren eine erstklassige Unterstützung durch die Experten von Pepperl+Fuchs.
Der Power Switch mit hoher Speiseleistung kombiniert mit bis zu drei Trunk-gespeisten APL Field Switches gestattet künftig Kabel Längen von bis zu 1000 m mit hoher Speiseleistung. Diese Variante entspricht Eins zu Eins dem aktuellen Stand bei Feldbus Installationen. Die Trunk-und-Spur-Topologie mit Haupt- und Stichleitungen ist einfach und widerstandsfähig. Alle oben genannten Eigenschaften gelten als identisch.
Erstmals Lösung für Modernisierung und Migration
12.02.2019 | Für Migrations- und Modernisierungs bietet Ethernet-APL erstmals eine Lösung. Der bekannte Kabel Typ A kann weiter verwendet werden. Der Pepperl+Fuchs Field Switch kommuniziert wahlweise die Feldbusprotokolle Profibus PA oder Profinet.
Das Feldgerät erkennt die vom angeschlossenen Teilnehmer gesendeten elektrischen Signale und Protokolle und wandelt diese automatisch in Daten für das Leitsystem um. Davon profitieren Early Adopter, sobald in der Anfangsphase dieser Technologie noch nicht alle Geräte mit APL Anschluss ausgestattet sind. Ähnliches gilt bei der Modernisierung von Anlagen, bei der es die Investion in die Instrumentierung zu schützen gilt. Die Techniker tauschen oder ersetzen Geräte dann nur bedarfsweise.
Endanwender wünschen sich außerdem die Übertragung sicherheitsgerichteter Signale per Ethernet. Hier erweist sich Ethernet APL als Enabler. Die Protokolle bieten dafür Funktionen in der Kommunikation, die sich mit APL Technologie bald in Feldgeräten finden könnte. So lässt sich die gleiche Infrastruktur für Prozesssignale und Sicherheitssignale aufbauen.
Standard für Ortungstechnologie mit UWB, RFID, 5G, GPS
Die Übertragung zwischen Sicherheitssteuerung und Feldgeräten erfolgt nach SIL 3. Die Infrastruktur muss hier nicht separat betrachtet werden. Dafür konzipiert wurde das Konzept des „schwarzen Kanals“. Es definiert die Kapselung für die Daten und überträgt sie in einem normalen Telegramm. Das vereinfacht die Arbeit von Herstellern, Planern und Betreibern erheblich.
Ethernet-APL bietet einen hohen Nutzen für die Prozesstechnik. Es definiert alle Eigenschaften für den zuverlässigen Betrieb. Pepperl+Fuchs bringt in die kollaborative Entwicklung seine Jahrzehnte lange Erfahrung mit Patenten, Know-how und der Mitarbeit in Arbeitskreisen ein. Ethernet-APL wird in 2021 als robustes und modernes Ethernet im Feld der Prozessanlage marktreif.
Die Zeit ist reif für Ethernet APL – Videos
Die nachfolgenden Videos geben einen Einblick und Rückblick zum jeweiligen Entwicklungsstand des Ethernet-Standards APL für die Prozessautomation:
Andreas Hennecke auf den Fachpressetagen 2021
09.02.2021 | In seinem Vortag anlässlich der Fachpressetage 2021 bewertet Andreas Hennecke die Marktreife von Ethernet APL. Zudem zeigt er den aktuellen Stand dieser größten, gemeinsamen Entwicklung von vier Dachverbänden und zwölf namhaften Herstellern in Sachen Kommunikation sowie deren praktische Anwendung und Umsetzung.
Topologien für die Prozessautomatisierung
11.08.2020 | Der Ethernet Advanced Physical Layer passt in jede Prozessanlage, da die Installationsarchitektur Flexibilität und Explosionsschutz für alle Arten von explosionsgefährdeten Bereichen bietet. Das Video zeigt typische Topologien für die Prozessautomation.
Podiumsdiskussion zum Online Summit 2020
04.08.2020 | Gerd Niedermayer von der BASF spricht mit Experten von Pepperl+Fuchs über Ethernet Advanced Physical Layer und die erste Testinstallation bei der BASF.
Michael Kessler auf den Fachpressetagen 2019
12.02.2019 | Michael Kessler, Executive Vice President Components + Technology PA, Pepperl+Fuchs GmbH, über die Fortschritte Ethernet APL auf den Fachpressetagen 2019.
Physical Layer macht Ethernet für Prozessautomation salonfähig
17.10.2017 | Was in der Fabrikautomation selbstverständlich ist, läuft in der Prozessautomation gerade erst an: der Einsatz von Ethernet Technologien vom Office- bis auf den Shop-Floor. Um die vielfältigen Vorteile von Ethernet Technologien aber auch dort nutzbar zu machen und damit die Digitalisierung des Shop-Floors in der Prozessindustrie voranzutreiben, arbeitet Pepperl+Fuchs an der Entwicklung eines neuen Physical Layers.
Zu hohe Installationskosten, mangelnde Robustheit und nicht zuletzt fehlende Konzepte für den Explosionsschutz sprachen bisher dagegen, eine Ethernet basierte Kommunikation in prozesstechnischen Anlagen zu etablieren. Mit dem „Advanced Physical Layer“ (APL), den Pepperl+Fuchs nun entwickelt, werden Feldgeräte direkt an Ethernet-Netzwerke angebunden.
Power Switch und Field Switch bilden bei dem Ansatz die Kernkomponenten für eine 2-Leiter Ethernet Feldkommunikation. Der Power Switch befindet sich im nicht explosionsgefährdeten Bereich und verbindet Standard-Ethernet-Netzwerke mit dem Physical Layer. Über bis zu 1000 m lange, zweiadrige Leitungen versorgt er den Field Switch und angeschlossene Feldgeräte mit Strom.
Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Stromversorgung. Der Field Switch übernimmt diese Funktion im explosionsgefährdeten Bereich und stellt sowohl die Signalübertragung als auch die Energieversorgung von bis zu zwölf eigensicheren Feldgeräten sicher. Hier können die Leitungen zwischen Switch und Feldgeräten bis zu 200 m lang sein. Der Power Switch befindet sich im nicht explosionsgefährdeten Bereich, während der Field Switch im Ex-Bereich installiert wird
Industrie 4.0 in der Prozessindustrie
Die mit Field und Power Switch realisierte direkte Anbindung von Feldgeräten an das Ethernet ermöglicht eine durchgängige transparente Kommunikation vom Prozessleitsystem bis auf die Feldebene. Gateways werden dabei nicht benötigt. So können Feldgeräte direkt mit dem Prozessleitsystem kommunizieren und werden dadurch zu Industrie-4.0-Komponenten. Mit 10 Mbit/s erfolgt die Datenübertragung dabei fast 10.000 Mal schneller als mit Hart, wodurch zusätzliche Funktionen möglich sind. Das sind zum Beispiel der Zugriff auf den Webserver, der Gerätedokumentationen zur Verfügung stellt, oder die Anzeige von Prozess-, Parameter- und Diagnosedaten in Echtzeit.
Reibungsloser Übergang von Profibus zu Profinet
Power Switch und Field Switch unterstützen alle gängigen Ethernet Protokolle, so zum Beispiel Profinet, Ethernet/IP oder Ethercat, aber auch IT-Protokolle wie MQTT oder OPC UA. Mit letzteren ist auch die Anbindung an cloudbasierte Systeme möglich.
Da bei dem Advanced Physical Layer Standard Feldbuskabel verwendet werden können, ist die Migration von klassischen Feldbussystemen zu Ethernet Technologien einfach vorzunehmen: Die vorhandene Verdrahtung kann bestehen bleiben. Der Field Switch unterstützt sowohl Ethernet 2 Leiter Geräte als auch konventionelle Feldbus Geräte. Automatisch erkennt der Switch, welcher Gerätetyp angeschlossen ist. So können bereits existierende Feldbuskomponenten einfach durch Ethernet-fähige Feldgeräte ergänzt werden. Da zudem keine Gateways mehr notwendig sind, sinken insgesamt Investitions- und Betriebskosten und Industrie-4.0-Anwendungen machen wirtschaftlich Sinn.
Für Industrie 4.0 Innovation Award 2017 nominiert
Zum zweiten Mal vergibt der VDE Verlag in Kooperation mit dem ZVEI den Industrie 4.0 Innovation Award. Pepperl+Fuchs schickte mit Power Switch und Field Switch eine Innovation für die Kommunikation in der Prozessautomation ins Rennen und hat die erste Runde des Wettbewerbsverfahrens geschafft. Eine unabhängige Jury wählte aus allen Einreichungen die Top 10. Im Online-Abstimmungsverfahren kann nun jeder bis 31.10.2017 für seinen Favoriten abstimmen. Der Gewinner erhält schließlich auf der diesjährigen SPS IPC Drives in Nürnberg den Award.
Technisches Allgemeinwissen
Ethernet APL (Advanced Physical Layer) ist eine Kommunikationstechnologie. Sie beschreibt eine physikalische Schicht für IoT Anwendungen in der Prozessindustrie. Der neue Standard definiert Kabellängen, Interoperabilität und Explosionsschutz. Damit schafft es eine durchgängige und transparente Kommunikation über die Hierarchieebenen hinweg.
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