Die Zeit ist reif für die digitale Sensor-/Aktor-Kommunikation in der Prozessindustrie

Mit Ethernet-APL gelingt die vertikale Integration von der Feldebene bis zur Betriebsleitebene

Die Prozessindustrie hat große Erwartungen an Ethernet-APL. Nicht zuletzt die Datenrate von 10MBit/s ist eine signifikante Verbesserung gegenüber dem HART-Protokoll, Profibus PA oder dem Foundation Fieldbus H1. In verschiedenen Feldversuchen und Studien konnte Ethernet-APL inzwischen belegen, dass es den hohen Ansprüchen gerecht wird.
 Testaufbau bei Endress+Hauser 
Digital Solutions: Alleine in der ersten Testreihe wurden nahezu 240 
Messumformer (Durchfluss, Druck, Temperatur und Füllstand) an einem 
Ethernet-APL-Netzwerk eingesetzt.
Testaufbau bei Endress+Hauser Digital Solutions: Alleine in der ersten Testreihe wurden nahezu 240 Messumformer (Durchfluss, Druck, Temperatur und Füllstand) an einem Ethernet-APL-Netzwerk eingesetzt.Bild: Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Mit dem Fortschritt der Digitalisierung in der Prozessindustrie wachsen auch die über intelligente Sensoren und Aktoren verfügbaren Datenmengen kontinuierlich, was leistungsstärkere Übertragungstechnologien erforderlich macht. Diese Bedarfslücke soll in Zukunft Ethernet-APL schließen. Der Standard wurde im Juni 2021 veröffentlicht. Eine nennenswerte Anzahl an Produkten dazu ist jedoch erst in den vergangenen anderthalb Jahren auf den Markt gekommen.

Bei dieser Übertragungstechnik werden Energie und Daten über ein einziges Aderpaar (Single Pair Ethernet) übertragen. Mittels der vollduplex-fähigen und schnellen Datenübertragung ist die Kommunikation über weite Strecken und selbst in explosionsgefährdeten Bereichen möglich. Die entsprechende Engineering-Richtline liefert grundlegende Informationen zum Aufbau, zur Auslegung und zur Ex-Planung von Ethernet APL.

Hardwaretest an der Hochschule Hannover: Die Messungen haben gezeigt, dass die APL-Switches in der Lage sind, anlagenrelevante Echtzeitpakete erfolgreich unter den geforderten Bedingungen ohne Paketverluste zu empfangen, bearbeiten und durchzuleiten.
Hardwaretest an der Hochschule Hannover: Die Messungen haben gezeigt, dass die APL-Switches in der Lage sind, anlagenrelevante Echtzeitpakete erfolgreich unter den geforderten Bedingungen ohne Paketverluste zu empfangen, bearbeiten und durchzuleiten. – Bild: ©L. Krapp/Hochschule Hannover

Erwartungen in Feldversuchen erfüllt

Die Hochschule Hannover und Endress+Hauser Digital Solutions haben unabhängig voneinander verschiedene Fragestellungen hinsichtlich der Performance von Ethernet-APL bearbeitet – mit positiven Resultaten. So haben Belastungstests von Endress+Hauser in einer praxisnahen Konfiguration mit Komponenten verschiedener Hersteller die Erwartungen erfüllt. Die Tests bestätigten die durchgängige Funktionsfähigkeit aller Komponenten unter Maximalausbaubedingungen. „Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Ethernet-APL als wichtigen Fortschritt in der industriellen Kommunikation“, sagt Frank Birgel von Endress+Hauser Digital Solutions.

Allein in der ersten Testreihe wurden nahezu 240 Messumformer (Durchfluss, Druck, Temperatur und Füllstand) an einem Ethernet-APL-Netzwerk eingesetzt. In Kombination mit Profinet erwies sich Ethernet-APL unter realen Einsatzbedingungen als robust und zuverlässig. Die Tests wurden mit maximaler Netzwerkkapazität durchgeführt und zeigten, dass Skalierbarkeit sowie Fehlerresistenz gewährleistet sind. Alle kritischen Anforderungen, wie Netzwerkgesamtlast und Zeiten für Redundanzwechsel, wurden nicht nur erreicht, sondern übertroffen.

„Die unterschiedlichen Komponenten harmonieren gut miteinander und die Systeme funktionieren zuverlässig. Damit ist es gelungen, den Ethernet-Standard in die Prozessautomatisierung auf Feldebene zu integrieren“, unterstreicht Birgel weiter.

Performance unter Realbedingungen

Der performante Zugriff auf Daten von Feldgeräten eröffnet neue Effizienz- und Effektivitätsstufen. Um die Auswirkungen von Überlastszenarien auf die Performance künftiger voll Ethernet-basierter Netzwerke zu bewerten, hat Lukas Krapp im Rahmen seiner Masterarbeit an der Hochschule Hannover das Verhalten von zwei realen Ethernet-APL-Switches in einer Umgebung mit unterschiedlichen Verbindungsgeschwindigkeiten untersucht. Insbesondere Paketverluste von hoch-priorisiertem Echtzeitverkehr dürfen nicht auftreten, da es sonst zu Fehlfunktionen in der Anlage kommen kann. Dafür wurden diverse Messungen an den entsprechenden APL-Switches vorgenommen, basierend auf verschiedenen Testszenarien mit unterschiedlicher Paketflussrichtung, Netzbelastung und Paketpriorisierung.

Die Tests stützten sich auf zwei aus der Praxis abgeleitete Best-Practice-Beispiele für Netzwerktopologien mit unterschiedlichen Verbindungsgeschwindigkeiten. Sie bestehen aus der Kombination von zwei Physical-Layern, einer 100MBit/s-Industrial-Ethernet- und einer 10MBit/s-Ethernet-APL-Ebene, in denen die APL-Switches getestet wurden. „Zusammenfassend ergaben die Messungen, dass die APL-Switches in der Lage sind, anlagenrelevante Echtzeitpakete erfolgreich unter den geforderten Bedingungen ohne Paketverluste zu empfangen, bearbeiten und durchzuleiten. Selbst bei stark überhöhter Paketlast über diese Anforderungen hinaus behielten die APL-Switches in den meisten Testszenarien ihre korrekte Funktionsweise bei, was die Erwartungen an reale Anwendungsbedingungen deutlich übertraf“, schildert Krapp.

Darüber hinaus haben die APL-Switches in allen getesteten Lastsituationen bewiesen, dass diese konform zur IEE802.1Q – bei Bedarf – den hoch-priorisierten Echtzeitverkehr gegenüber dem gering-priorisierten Nicht-Echtzeitverkehr bevorzugten. Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass die Analyse des Paketdurchsatzes der APL-Switches gezeigt hat, dass das Risiko des Verlusts von Paketen mit anlagenrelevanten Echtzeitinformationen in den untersuchten Netzwerken mit variierender Verbindungsgeschwindigkeit relativ niedrig ist. Somit ist keine Beeinträchtigung der korrekten Netzwerkfunktion zu befürchten. Krapp führt weiter aus: „Daraus folgt, dass die zukünftige Implementierung von Netzwerken mit gemischten Verbindungsgeschwindigkeiten bei korrekter Gerätekonfiguration keine Herausforderung für die korrekte Netzwerkfunktionalität darstellen sollte.“

Perspektiven für eine zeitnahe Verbreitung

Karl-Heinz Niemann, Professor für Prozessinformatik & Automatisierungstechnik an der Hochschule Hannover, zeigt sich überzeugt: „Die Einführung von Ethernet-APL verfügt über gute Erfolgsaussichten für eine zeitnahe Verbreitung in der Prozessindustrie.“ Ein wesentlicher Vorteil: Ethernet-APL ermöglicht die Realisierung eines durchgängigen Automatisierungsnetzwerks bis zum Sensor/Aktor auf Ethernet-Basis. Dadurch können alle Teilnehmer Daten über ein einheitliches Ethernet-Netzwerk und Protokolle, wie Profinet, Ethernet/IP, OPC UA und MQTT, austauschen, ohne dass Gateways für die Protokollanpassung nötig sind.

Prof. Niemann unterstreicht abschließend: „Die vertikale Integration von der Feldebene bis zur Betriebsleitebene wird damit Wirklichkeit. Ethernet-APL ermöglicht OT-Sicherheit (Security) in Verbindung mit funktionaler Sicherheit (Safety) im selben Netzwerk.“ Aus Sicht des Automatisierungs-Experten gibt es somit zahlreiche überzeugende Gründe, den Schritt hin zur digitalen Sensor/Aktor-Kommunikation zu gehen.

Automation 2024
In einem Vortrag im Rahmen des 25. Automatisierungskongresses Automation 2024 am 2. und 3. Juli in Baden-Baden werden Frank Birgel, Lukas Krapp und Prof. Karl-Heinz Niemann das Thema Ethernet-APL intensiv aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten und Empfehlungen zur Planung von Ethernet-APL-Netzwerken geben.

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