Mit Chronous bietet Analog Devices geeignete Lösungen

Ethernet-Switch fido5000 von Analog Devices kommuniziert im Prozessregler

Angesichts der in der Prozessautomation zu überbrückenden Entfernungen von bis zu einem Kilometer in Verbindung mit der Forderung nach stromsparenden und robusten Feldgeräten, die sich für den Einsatz in Zone 0 (eigensicher) eignen, wurde ein neuer Ansatz zur Realisierung der Ethernet-Physical-Layer-Technologie benötigt. Ethernet APL ist dieser neue Ansatz.

Bis zu 1.000 Meter Kabellänge

Ethernet APL basiert auf der Physical-Layer-Fähigkeit des Ethernet-Standards 10BASE-T1L einer Vollduplex-Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit dreistufiger Puls-Amplituden-Modulation (PAM 3) bei einer Symbolrate von 7,5 MBaud und 4B3T-Codierung. Es ermöglicht zwei Amplitudenbetriebsarten, 2,4 V Spitze bis 1.000 Meter Kabeldistanz und 1,0 V Spitze bei geringerer Entfernung. Durch die 1,0-V-Spitzenamplitudenbetriebsart kann diese Physical-Layer-Technologie auch in der Umgebung von explosionsgeschützten Systemen (Ex) eingesetzt werden und erfüllt die strengen Anforderungen an den maximalen Energieverbrauch. 10BASE-T1L ermöglicht die Übertragung von Energie und Daten über große Entfernungen mittels einer abgeschirmten verdrillte Zweidrahtleitung.

Robuste PHYs von Analog Devices

Wenn es um die Energieversorgung von Feldgeräten geht, kann Ethernet APL in Zone-0-Anwendungen bis zu 500 mW liefern, verglichen mit etwa 36 mW von 4- bis 20-mA-Systemen. In nicht eigensicheren Anwendungen können Feldgeräte je nach verwendetem Kabel mit einer Leistung von bis zu 60 W versorgt werden. Am Netzwerkrand steht deutlich mehr Leistung zur Verfügung und es können neue Feldgeräte mit zusätzlichen Merkmalen und erweiterten Funktionen aktiviert werden, weil die für 4- bis 20-mA-Signale und den Feldbus üblichen Leistungsbegrenzungen nicht mehr gelten.

Funktionalere Leistungsmessung und verbesserte Datenverarbeitung am Netzrand

Beispielsweise ist mit dieser zusätzlichen Leistung nun eine funktionalere Leistungsmessung und eine verbesserte Verarbeitung von Daten am Netzwerkrand möglich. Dies wird nützliche Erkenntnisse über Prozessvariablen hervorbringen, die nun über einen Webserver zugänglich gemacht werden, der auf den Feldgeräten läuft, und die letztlich Prozessabläufe und Anlagenverwaltung verbessern und optimieren werden. Um den umfangreichen Datensatz mit den wertvollen neuen Erkenntnissen zu nutzen, ist eine Kommunikationsverbindung mit höherer Bandbreite erforderlich. So lassen sich die Datensätze von den neuen Feldgeräten über die gesamte Prozessinstallation zur Infrastruktur auf Anlagenebene oder zur Verarbeitung in die Cloud liefern.

„TSN-taugliche Lösungen implementieren“

Ethernet APL macht komplexe, leistungshungrige Gateways überflüssig und ermöglicht ein konvergiertes Ethernet-Netzwerk über IT- und OT-Systeme hinweg. Das konvergierte Netzwerk vereinfacht die Installation und den Geräteaustausch und ermöglicht eine schnellere Inbetriebnahme und Konfiguration des Netzwerks. Dies führt zu schnelleren Software-Updates mit vereinfachter Ursachenanalyse und Wartung von Geräten auf Feldebene.

Vorteile einer Ethernet-APL-Lösung

Durch die Konvergenz auf Ethernet APL wurde die Notwendigkeit von teuren, komplexen und leistungshungrigen Gateways beseitigt. Dies ermöglicht auch einen Übergang von der stark fragmentierten Feldbus-Infrastruktur, die Dateninseln geschaffen hat, auf denen der Zugriff auf die Daten innerhalb der Geräte auf Feldebene eingeschränkt ist. Ohne diese Gateways werden die Kosten und die Komplexität dieser Legacy-Installationen erheblich verringert und die durch sie entstandenen Dateninseln beseitigt.

MeasureWare von Analog Devices erlaubt präzise Messungen

Bisherige Anwendungen der Prozessautomation nutzen die veralteten Kommunikationsstandards, die Einschränkungen mit sich bringen, die der neue Ethernet-Standard 10BASE-T1L beseitigt. 10BASE-T1L ermöglicht es, vorhandene Kabel wiederzuverwenden, wodurch sich erhebliche Möglichkeiten für Brownfield-Upgrades von Prozessautomationsinstallationen mit Ethernet APL auf Basis des Physical Layers von 10BASE-T1L ergeben. Für die Kommunikation mit einem Ethernet-APL-fähigen Gerät ist ein Host-Prozessor mit integrierter Medienzugriffskontrolle (MAC) oder ein Ethernet-Switch mit 10BASE-T1L-Ports erforderlich.

Ethernet-APL-Verkabelung und Netzwerktopologie

Der Standard 10BASE-T1L schreibt kein bestimmtes Übertragungsmedium (Kabel) vor, sondern definiert ein Kanalmodell (Anforderungen an Rückflussdämpfung und Einfügungsdämpfung). Das Kanalmodell passt gut zu den heute bereits für Profibus PA und Foundation Fieldbus verwendeten Feldbus-Kabeln vom Typ A. Daher sind viele installierte 4- bis 20-mA-Kabel potenziell mit Ethernet APL wiederverwendbar. Eine einfache verdrillte Zweidrahtverkabelung hat den Vorteil, dass sie gegenüber komplexeren Verkabelungen kostengünstiger, kleiner und einfacher zu installieren ist.

Die vorgeschlagene Netzwerktopologie für Ethernet APL wird als Trunk- und Spur-Netzwerktopologie bezeichnet. Die Trunk-Kabel können bis zu einem Kilometer lang sein mit einer PHY-Amplitude von 2,4 V Spitze und befinden sich in Division 2 der Zone 1. Die Spur-Kabel können bis zu 200 Meter lang sein mit einer PHY-Amplitude von 1,0 V Spitze und befinden sich in Division 1 der Zone 0.

Auf der Steuerungsebene befindet sich ein Leistungsschalter, der die Ethernet-Switch-Funktionalität bereitstellt und die Energieversorgung über die Datenleitungen ermöglicht. Feld-Switches befinden sich auf der Feldebene im explosionsgefährdeten Bereich und werden über das Kabel versorgt. Die Feld-Switches stellen die Ethernet-Switch-Funktionalität bereit, die die Geräte der Feldebene an den Spur-Kabeln mit dem Trunk-Kabel verbindet und die Leistung an die Geräte der Feldebene weiterleitet. Mehrere Feld-Switches sind über ein Trunk-Kabel verbunden, um die hohe Anzahl der an das Netzwerk anzuschließenden Feldgeräte zu ermöglichen.

Ethernet-APL-Geräte für neue Möglichkeiten

APL ermöglicht den Übergang zu nahtlosen Prozessautomationsinstallationen mit Feld-zu-Cloud-Verbindungen, einschließlich explosionsgefährdeter Bereiche für Installationen der Lebensmittel- und Getränke-, Pharma- sowie Öl- und Gasbranchen. Mit deutlich mehr Leistung können neue Ethernet-APL-fähige Feldgeräte mit zusätzlichen Merkmalen und Funktionen unterstützt werden.

Die neuen Geräte werden umfangreiche Datensätze für das Cloud-Computing mit leistungsfähigen Datenanalysen freisetzen und die Prozessoptimierung mit verwertbaren Erkenntnissen vorantreiben. Neue Geschäftsmodelle für die Prozessindustrie werden nun möglich sein, um komplexere Prozess- bzw. Fertigungsabläufe zu ermöglichen und aus den neuen, jetzt verfügbaren Erkenntnissen Werte zu schaffen. (ge)

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