Der Ethernet Advanced Physical Layer
Technologie für IIoT-Anwendungen in Prozessanlagen
Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) und Industrie 4.0 stehen für die Zukunft der industriellen Kommunikation. Sie zu realisieren erfordert jedoch eine schnelle, durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis hin zu mobilen, cloudbasierten Anwendungen.
Schon heute liefern Feldgeräte und Sensoren in Prozessanlagen eine Vielzahl an Daten, die im Sinne des IIoT erfasst, verarbeitet und analysiert werden können, aber häufig noch ungenutzt bleiben. Ethernet ermöglicht die schnelle Übertragung solcher Datenmengen sowie eine durchgängige Kommunikation vom Feldgerät bis ins Prozessleitsystem und die Cloud. In der Fabrikautomation hat sich Ethernet daher längst zum Kommunikationsstandard entwickelt.
Gemeinsam mit führenden Unternehmen und Verbänden hat Pepperl+Fuchs durch Ethernet-APL die Grundlage für IIoT-Anwendungen in der Prozessindustrie geschaffen. Erfüllt werden dabei alle zentralen Anforderungen für Prozessanlagen wie lange Kabelwege, Zweidrahtleitungen und Interoperabilität. Damit wird erstmals der Einsatz moderner Ethernet-Technologie in den rauen Umgebungsbedingungen explosionsgefährdeter Bereiche bis Zone 0/Class 1, Div. 1 möglich.
Vom Ex-Bereich bis in die Cloud – barrierefreie und hocheffiziente Kommunikation
Schnelle und effiziente Kommunikation
Ethernet-APL ermöglicht die schnelle, effiziente Kommunikation von großen Datenmengen mit einer Geschwindigkeit von 10 Mbit/s. Das zweiadrige Kabel überträgt bis zu 92 W Daten und Leistung gleichzeitig. Auch in puncto Reichweite setzt es neue Maßstäbe, denn Trunk-Längen von bis zu 1.000 Metern sind ebenso machbar wie 200 Meter an der Stichleitung zum Feldgerät.
Eigensicherheit mit Ethernet-APL
Zum ersten Mal kann Ethernet in explosionsgefährdeten Bereichen bis zu Zone 0 / Class 1, Div. 1 mit dem hohen Grad an Interoperabilität eingesetzt werden, den die Anwender erwarten. Die Stichleitungen vom Rail Field Switch zum Feldgerät können eigensicher ausgeführt werden. Die bekannte IEC-Norm für Eigensicherheit im Explosionsschutz wird derzeit um ein Kapitel für Zweidraht-Ethernet (2-wire Intrinsically Safe Ethernet, kurz 2-WISE) ergänzt. Inspiriert von FISCO sorgt die neue Norm für eine einfache Planung und Validierung ohne Berechnung.
Transparenz über alle Hierarchieebenen hinweg
Die Installation im Feld ist mit Schraub- oder Federklemmen einfach. Es können mehr als ein Prozesswert und alle Geräteparameter übertragen werden, was eine einfache Anlagenverwaltung, vorausschauende Wartung, Konfiguration und Parametrierung ermöglicht. Eine gemeinsame physikalische Schicht für alle Geräte und Daten ermöglicht eine nahtlose, transparente Kommunikation über alle Hierarchieebenen hinweg - vom Ex-Bereich bis zur Cloud. Dadurch sind die Daten jederzeit und überall zugänglich. Die Interoperabilität der Anlage wird durch die Zertifizierung des Protokolls und der physikalischen Schicht sichergestellt. Das bedeutet, dass die Geräte problemlos zusammenarbeiten, auch wenn Technologien verschiedener Hersteller im Einsatz sind.
Einfache, kostengünstige Anlagenmodernisierung
Ethernet-APL unterstützt die in der Prozessindustrie etablierte Trunk-and-Spur-Technologie und ist auf jedes industrielle Ethernet-Protokoll wie EtherNet/IP, HART-IP und PROFINET anwendbar. Dies vereinfacht die Integration für Planer, Anlagenbauer und Anlagenbetreiber, da bestehende Installationen und Infrastrukturen weiter genutzt werden können und Investitionen geschützt werden.
So lässt sich Interoperabilität mit Ethernet-APL umsetzen
Vier Aspekte müssen genau definiert werden, um eine vollständig offene Infrastruktur zu schaffen, die die Interoperabilität bietet, die die Benutzer von Ethernet erwarten. Erstens definiert IEEE 802.3 cg die Datenkommunikation als 10BASE-T1L. Die Ethernet-APL Port Profile Specification definiert zweitens die Stromversorgung und drittens Anschlüsse, Kabel und Zubehör wie Überspannungsschutz. Das Port-Profil wird in einer IEC-Norm veröffentlicht. Die Eigensicherheit ist der vierte Aspekt, bei dem ein neues Kapitel der bekannten Norm für den Explosionsschutz den gleichen einfachen Ansatz für die Planung und Validierung definiert, den die Benutzer bei FISCO schätzen, siehe IEC TS60079-47, 2-WISE.
Terminologie
Der Ethernet Advanced Physical Layer definiert eine Switch-basierte Architektur, wodurch ein gegenseitiges Übersprechen und damit eine gegenseitige Störung der Geräte unmöglich ist. Dies verbessert die Kommunikation und wirkt sich langfristig positiv auf die Anlagenverfügbarkeit aus.
Segment steht für jedes Verbindungselement zwischen Netzwerk-Switches oder zwischen Netzwerk-Switches und Feldgeräten. Trunk ist das Kabel mit großer Reichweite zwischen den Netzwerk-Switches und mit hoher Leistung sowie Signalstärke – es kann bis zu 1000 m lang sein. Spur ist das Verbindungskabel für ein Feldgerät. Es kann bis zu 200 m lang sein und hat eine geringere Leistung und Signalstärke. Zudem ist es als eigensichere Variante wählbar.
Topologie – Kompaktes Anlagenlayout
Der Ethernet-APL Rail Field Switch bietet Funktionen und Verbindungen für die Sterntopologie. Jedes Feldgerät ist mit einer Stichleitung verbunden. Das Backbone kann als redundanter Ring konfiguriert werden. Anwender entscheiden sich für diese Topologie, um folgende Eigenschaften und Anforderungen zu erfüllen:
- Installationen im Innenbereich, wie sie in der chemischen, pharmazeutischen oder Lebensmittelindustrie vorkommen
- Netzwerk-Switches befinden sich in Feldbusverteilern und Schaltschränken
- Kabellänge bis zu 200 m zum Feldgerät
- Ethernet-Redundanz, die häufig auf der Anlagenebene oder im Schaltschrank erforderlich ist
- Explosionsschutz für alle explosionsgefährdeten Bereiche
Topologie – Anlagenlayout mit großer Reichweite
Ethernet-APL für Anlagen mit großer Reichweite nutzt die Trunk-und-Spur-Topologie. Diese erlaubt Outdoor-Installationen, wie sie zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie zu finden sind. Ethernet-APL wird dabei via Power Switch mit der obersten Ebene im Schaltschrank verbunden und unterstützt dort Ringredundanz für sehr hohe Verfügbarkeit. Der Field Switch bildet die eigensichere Barriere für die Stichleitungen und wird vom Trunk-Kabel mit Strom versorgt. Dies ähnelt den heutigen FieldConnex®-Lösungen mit Power Hubs, FieldBarriers und Segment Protectoren.
Anwender wählen die Trunk-und-Spur-Topologie, um folgende Funktionen und Anforderungen zu erfüllen:
- Kabellänge von bis zu 1000 m in das Feld
- Field Switches werden über Zweidrahtleitung versorgt
- Verteilung auf mehrere Feldgeräte via Feldbusverteiler im Feld
- Ethernet-Redundanz auf Anlagenebene
- Explosionsschutz für jeden explosionsgefährdeten Bereich
Dieses Layout ist zu 100% mit der in Feldbusinstallationen gängigen Trunk-und-Spur-Topologie kompatibel. Es bietet einen klaren Migrationspfad für Brownfield-Projekte, da das installierte Kabel wiederverwendet werden kann.
Produktkonzepte
Es gibt zwei Arten von Netzwerk-Switches, die die Ethernet-APL-Infrastruktur unterstützen und drei grundlegende Produktkonzepte, mit der sich jede Art von Topologie in Prozessanlagen realisieren lässt. Die Switches, die mit dem Ethernet-Backbone verbunden sind, unterstützen Redundanz- und Ausfallsicherheitskonzepte für eine hohe Verfügbarkeit.
Ethernet-APL Rail Field Switch
Der Ethernet-APL Rail Field Switch von FieldConnex® ist ein Field Switch zur Installation in Schaltschränken oder Feldverteilern. Er verbindet die Ethernet-APL-Spur-Kabel mit dem Ethernet-Backbone der Anlage und bezieht Strom für sich selbst und die Spurs von einer externen Stromversorgung.
Ethernet-APL Field Switches
Ethernet-APL Field Switchesversorgen die Stichleitung, an die das Feldgerät angeschlossen ist, mit Strom. Das Spur-Kabel hat geringere Anforderungen an Signalstärke und Stromversorgung. Mit den beidenProduktvarianten Ethernet-APL Field Switch und Ethernet-APL Rail Field Switch lässt sich jede Art von Topologie umsetzen.
Der Ethernet-APL Field Switch für Installationen in Zone 1 / Division 2 wird vom Trunk mit Strom versorgt. Er verbindet die Spur-Kabel mit dem Trunk. Die Ausgänge sind eigensicher und unterstützen Anwendungen in Zone 0 / Division 1.
Ethernet-APL Power Switch
Der Ethernet-APL Power Switch verbindet das Ethernet-APL-Netzwerk mit dem Ethernet-Backbone. Er versorgt auch die Hauptleitung mit Strom. Dieser Power Switch wird in der Regel im Schaltschrank innerhalb der Leitwarte installiert und extern mit Strom versorgt.
At a Glance
- Cable lengths of up to 1,000 m: spur up to 200 m, trunk up to 1,000 m
- Power supply of up to 50 field devices. Up to 90 W possible.
- High transfer rates: 10 Mbit/s, full-duplex
- Download approx. 100 configuration parameters per field device in only a few seconds
- Intrinsic safety protection easy to apply
- Simultaneous transmission of data and power along the same two-wire cable
Technical Facts
- Connection: Screw-type, spring-clamp, M12, RJ45 (in cabinet only)
- Reference cable type: IEC 61158-2, Type A for intrinsic safety
- Cable cross section: 0.324 ... 2.5 mm2 / AWG 22-14
- English
- German
Anwendungsberichte | Sprache | Dateityp | Dateigröße | Download |
|---|---|---|---|---|
| Applikationsbericht - Kundenspezifische Lösung zur Tanklager-Modernisierung | de | PDF | 260 KB | |
| Applikationsbericht - Verbesserung der Überwachung und Sichtbarkeit des Gerätestatus durch Ethernet-APL | de | PDF | 234 KB | |
| Applikationsbericht - Verbesserung der Überwachung und Sichtbarkeit des Gerätestatus durch Ethernet-APL | de | PDF | 226 KB |
Andere | Sprache | Dateityp | Dateigröße | Download |
|---|---|---|---|---|
| Ethernet-APL Planungsrichtlinie | de | PDF | 5 MB | |
| White Paper - Ethernet-APL für hoch verfügbare Sicherheitsanforderungen | de | PDF | 641 KB |