Ethernet-APL Clever und ohne Umweg auf Feldgeräte zugreifen

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Mit Ethernet-APL ist das Netzwerk für das Feld der Prozessanlage da. Was Anwender über die Technologie wissen müssen und warum sie die Planung und Implementierung beschleunigt, zeigt dieser Beitrag.

Der Feldverteiler mit robustem Edelstahl oder GFK-Gehäuse ist im Feld installiert und enthält den Switch, der den Medienübergang vom bekannten Ethernet mit bis zu 1 Gbit / s zu Ethernet-APL realisiert. Von hier geht es bis zum Feldgerät mit robuster Installation weiter, denn die ist Pflicht für das Feld der Prozessanlage. Sie muss Umgebungsbedingungen wie extreme Temperaturen und Witterungen gerecht werden und unterliegt in vielen Anlagen den Regeln des Explosionsschutz.

Clevere Kombination bewährter Technologien

Ethernet-APL, oder kurz APL für „Advanced Physical Layer“, ist die clevere Kombination aus bewährten Technologien: Die Installation erfolgt mit seit Jahrzehnten bekannter Schraub- und Federzugklemmen und einer geschirmten Zweidrahtleitung. Die Leitung überträgt Kommunikation und optional die Speisung, die in Klassen definiert ist, zu den Feldgeräten. Alle Anschlüsse verfügen über einen integrierten Verpolungsschutz. So wie bei allen analogen Übertragungsprinzipien in der Prozessautomation verhindern Punkt-zu-Punkt-Verbindungen die gegenseitige Störung von Geräten, die besonders bei Eingriffen zur Instandhaltung vorkommen können. Nach dem Prinzip Plug-and-play ist damit die Funktion herstellerübergreifend gewährleistet.

Das Kabel, dessen Länge zwischen beiden Geräten bis zu 200 m betragen darf, muss folgenden Spezifikationen entsprechen:

• Widerstandsbelag Rc:15 Ω/km ... 150 Ω/km

• Induktivitätsbelag Lc:0,4 mH/km ... 1 mH/km

• Kapazitätsbelag Cc: 45 nF/km ... 200 nF/km

Dies entspricht dem bekannten Kabeltyp ‚A‘. Anwender sollten sich diese Werte von den Kabelherstellern bestätigen lassen und bei Modernisierungen und Erweiterungen durch Messungen überprüfen.

Tipp: Kostenfreie Planungsrichtlinie für Ethernet-APL downloaden

Besonderes Augenmerk sollten Anwender auf die Erdung und Schirmung legen. Diese ist für die Zuverlässigkeit der Kommunikation hoch relevant. Die Planungsrichtlinie für Ethernet-APL enthält hierzu Hinweise und Beispiele für die Neuanlage als auch für Modernisierungen oder Anlagenerweiterungen. Hier kommen auf Anwender, die mit dem Feldbus nicht vertraut sind, überschaubare Anforderungen zu.

Eigensicherheit so einfach wie noch nie

Vereinfacht ausgedrückt steht dabei die Zündschutzart Eigensicherheit für nichts anderes als die Begrenzung der elektrischen Energie auf ein Niveau, bei dem kein ausreichender Zündfunke entstehen kann, um die vorhandene explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden.

• Ethernet-APL entlehnt das von FISCO her bekannte Konzept, erlaubt dabei eine höhere Leistung und größere Entfernungen zwischen Switch und Feldgerät. Für den Nachweis der Eigensicherheit wurde im bekannten IEC-Standard (IEC 60079) ein zusätzliches Kapitel aufgenommen.

• Das Konzept zur Eigensicherheit von Ethernet-APL-Verbindungen trägt die Bezeichnung 2-WISE für Two-Wire Intrinsically Safe Ethernet. Es beruht auf den Prinzipien der Ex-Normen IEC 60079-11, IEC 60079-14 und IEC 60079-25. Um den Prüfprozess zur Validierung der Eigensicherheit von Ethernet-APL-Geräten und Leitungen innerhalb on APL-Segmenten zu vereinfachen, wurde mit der Norm IEC TS 60070-47 (2-WISE) ein neues Systemkonzept standardisiert. Darin werden universelle Grenzwerte zur Definition der Eigensicherheit in APL-Stromkreisen festgelegt.
  Die Bezeichnung Ex ia IIC kennzeichnet beispielsweise einen elektrischen Kreis, der bis in Zone 0 oder Division 1 geführt werden darf. Für die Zone 2/Div. 2 ist die Bezeichung Ex ic IIC. Alle Geräte führen den Hinweis 2-WISE, um auf die Kompatibilität hinzuweisen.

• Switches und Geräte unterschiedlicher Klassen dürfen zusammengeschaltet werden. Die schwächste Klassifizierung bestimmt dabei den zulässigen explosionsgefährdeten Bereich. Eine Komponente mit Schutzklasse Ex ic darf daher nicht in einer Zone verwendet werden, die eine Eigensicherheit nach Ex ia erfordert.

Problemlose Validierung

Die Eigensicherheit jedes 2-WISE-Segments im Ex-Bereich muss vom Anwender schriftlich dokumentiert werden. Die Planungsrichtlinie für Ethernet-APL enthält ein Beispiel für so ein beschreibendes Systemdokument (siehe Anhang 10.4), in dem neben den Geräten auch die Kabelparameter dokumentiert werden. In diesem Dokument werden in tabellarischer Form alle eingesetzten Geräte mit ihren Spezifikationen aufgeführt:

• Explosionsschutzklasse (zum Beispiel EX ia oder Ex ic)

• Gerätegruppe (zum Beispiel IIC)

• Temperaturklasse jedes 2-WISE-Geräts

• Sicherheitstechnische Parameter der verwendeten Leitung

Hinweise und Beispiele für die Installation in explosionsgefährdeten Bereichen finden sich in der Richtlinie in Kapitel 4.5.

Die neue Technologie liefert damit auch die Basis für eine deutlich beschleunigte Vorgehensweise bei der Planung und Implementierung von Prozessanlagen.

2-WISE ist damit nicht völlig neu. Die Mehrheit der Anwender, die für die Gerätetechnik mit analogen Signalen heute das Entity-Konzept zum Nachweis der Eigensicherheit verwenden müssen, werden beim Einsatz von Ethernet-APL entlastet. Vertraute, robuste und komfortable Technologie.

Feldbus oder nicht?

Kommt damit doch ein Feldbus durch die Hintertür? Die Konzepte werden den Anwendern von Profibus PA oder Foundation Fieldbus H1 sehr vertraut vorkommen. Jedoch handelt es sich bei Ethernet-APL nicht um einen Feldbus, sondern lediglich um eine Übertragungsphysik für ein Ethernet-Netzwerk.

• Ethernet-APL ist Ethernet mit seinem seit 40 Jahren etablierten und geschätzten Bedienungskomfort. Ein Ethernet-Netzwerk kann mehrere beliebige Protokolle übertragen.

• Es kennt im Gegensatz zu Feldbussen beispielsweise Funktionen für die automatische Erkennung und Anmeldung von Teilnehmern.

Damit kommen auch alle Vorzüge der Ethernet-Technik zum Tragen.

So arbeitet der Switch

Sobald der Switch startet, versorgt er die APL-Ports mit Hilfsenergie, spricht die angeschlossenen Feldgeräte per Protokoll an. Der Installateur kann den Erfolg seiner Arbeit mithilfe des Smartphones überprüfen. Über die Weboberfläche des Switches erhält er Informationen über die Kommunikationsqualität auf der physischen Ebene und die Identität sowie Diagnosen der angeschlossenen Feldgeräte. Das funktioniert nativ ohne einen einzigen Gerätetreiber eine GSD, EDD oder ein DTM-Paket zu installieren. Sogar ohne Multimeter.

Labortests verliefen problemlos

Bilfinger Engineering & Maintenance startete 2019 mit Pepperl+Fuchs einen ersten Test mit dem Ziel, APL selbst, aber auch den damit verbundenen Technologiesprung zu untersuchen. Denn die Konkurrenz zu Ethernet-APL heißt nicht Feldbus sondern 4...20 mA, weil diese alte Technik bewährt und vertraut ist. Zukünftige Techniken müssen um eine hohe Akzeptanz bei Planern und Anwendern zu erreichen mindestens die gleiche Einfachheit und Zuverlässigkeit sowie einen echten Mehrwert bieten. Ethernet-APL bringt genau diesen Mehrwert.

Die Prüfer untersuchten das generelle Handling der neuen Infrastrukturkomponenten wie Field- und Powerswitches oder vorhandene Kabeltypen an dem neuen Physical Layer. Die Tests verliefen alle problemlos.

Schneller, einfacher und wirtschaftlicher mit Ethernet-APL

Allein auf die Eigenschaften der Kabel und eine wertige Erdung und Schirmung sollten Anwender ein besonderes Augenmerk legen. Dafür erhalten Anlagenbetreiber eine vollständige und automatisierbare Netzwerkinfrastruktur basierend auf Ethernet und völlig neue Einblicke in Funktion und Zustand der einzelnen Feldgeräte. Dabei ist Ethernet-APL eine Evolution, die auf vorhandenen Technologien aufsetzt und vieles schneller, einfacher, wirtschaftlicher macht.

* Andreas Hennecke, Produktmarketingmanager, Pepperl+Fuchs

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