PROFINET over APL
Ethernet-APL ist ein verbesserter Physical Layer für Single-Pair-Ethernet (SPE), der auf 10BASET1L basiert. Es kommuniziert über eine Kabellänge von bis zu 1000 m mit 10 Mbit/s im Vollduplexbetrieb und ist damit mehr als 300-mal schneller als aktuelle Technologien wie HART oder Feldbus. Es ist die logische Erweiterung von Ethernet und bietet die Eigenschaften, die für einen zuverlässigen Betrieb im Feld einer Prozessanlage erforderlich sind. Ethernet-APL ist eine physikalische Schicht, die jedes übergeordnete Ethernet-Protokoll, einschließlich PROFINET, unterstützen kann.
Ethernet APL bringt PROFINET in die Prozessindustrie
Ethernet ist der De-facto-Kommunikationsstandard in Unternehmen, erfüllt aber die Anforderungen der Prozessautomatisierung nicht ohne Modifikationen. Ethernet mit Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) ermöglicht große Kabellängen und Explosionsschutz durch Eigensicherheit mit Kommunikation und Stromversorgung über zwei Adern.
Basierend auf IEEE- und IEC-Standards unterstützt Ethernet-APL PROFINET und jedes andere Ethernet-basierte Automatisierungsprotokoll und wird sich zu einer einzigen, langfristig stabilen Technologie für die gesamte Prozessautomatisierung entwickeln. Prozessanlagen sind mehr als 20 Jahre in Betrieb und müssen für Mensch, Produkt und Umwelt sicher sein. Das Explosionspotenzial in explosionsgefährdeten Bereichen und die rauen Umgebungsbedingungen erfordern, dass jede neue Technologie gründlich getestet wird und zusätzliche Geschäftsvorteile bietet. Die Technologie darf nicht zu kompliziert sein oder einen hohen Schulungsaufwand erfordern.
Die Vereinbarung zur Entwicklung der Ethernet APL-Technologie im Rahmen des „APL-Projekts“ wurde 2018 getroffen und wird von den führenden Standardisierungsorganisationen (SDOs), der FieldComm Group, der ODVA, der OPC Foundation und dem Projektträger PROFIBUS & PROFINET International sowie von wichtigen Industrieanbietern der Prozessautomatisierung, darunter ABB, Emerson, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega und Yokogawa, unterstützt.
Das Besondere an Ethernet-APL
Ethernet-APL ist so konzipiert, dass es verschiedene Installationstopologien mit optionalen Redundanz- oder Failover-Konzepten und Trunk and Track unterstützt. Ethernet-APL spezifiziert explizit nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wobei jede Verbindung zwischen Kommunikationspartnern ein „Segment“ darstellt.
Weitere Details sind dem Ethernet-APL White Paper.zu entnehmen.
MinutePROFINET: APL [Advanced Physical Layer] for Industrial Ethernet - Intrinsically Safe Ethernet
Der Mehrwert von Ethernet-APL für PROFINET
Das Wissen um die Hauptvorteile von PROFINET und seine breite industrielle Akzeptanz für zuverlässige, hochperformante Kommunikation in allen Bereichen der Automatisierung in Kombination mit der neuen physikalischen Kommunikationsschicht schafft neue Werte für die Prozessautomatisierung wie:
| 1 | Zweileiterkabel |
| 2 | Lange Kabelwege |
| 3 | Stromversorgung und Kommunikation über das gleiche Kabel |
| 4 | Unterstützung aller Explosionsschutztechniken einschließlich Eigensicherheit |
| 5 | Einfache Anlagentechnik |
| 6 | Wiederverwendung des vorhandenen Feldbuskabels vom Typ 'A', was die Kosten senkt und die Installation vereinfacht |
| 7 | Einfache Migrationsstrategien vom Feldbus PROFIBUS PA zu PROFINET über APL |
| 8 | Störfestigkeit gegen elektromagnetische Störungen |
| 9 | Unterstützung von Überspannungsschutz |
Prozessautomatisierungs-Netzwerke mit PROFINET
Wie sich PROFINET über APL von der klassischen Ethernet-Konnektivität unterscheidet
Ethernet-APL ist eine erweiterte physikalische Schicht für Single-Pair-Ethernet (SPE) auf der Basis von 10BASE-T1L, wie in der Abbildung unten dargestellt.
Es kommuniziert über eine Kabellänge von bis zu 1000 m mit 10 Mbit/s, vollduplex und damit mehr als 300 mal schneller als heutige Technologien wie z.B. HART-Kommunikation. Es ist die logische Erweiterung von Ethernet und bietet die Eigenschaften, die für einen zuverlässigen Betrieb im Feld einer Prozessanlage erforderlich sind. Ethernet-APL ist eine physikalische Schicht, die auch OPC-UA oder jedes andere übergeordnete Protokoll unterstützt.
PROFINET über APL enthält zusätzliche Eigenschaften, die für Prozessanwendungen erforderlich sind. Diese Eigenschaften ergeben sich aus den Anforderungen von Außeninstallationen und dem Schutz von Gefahrenbereichen. Sie folgen den entsprechenden IEC-Normen und sorgen z. B. für Interoperabilität und Einfachheit:
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Wofür kann PROFINET over APL verwendet werden?
PROFINET over APL unterstützt alle bekannten Installations-/Netzwerktopologien mit optionaler physikalischer Redundanz, Skalierbarkeit und dynamischer Rekonfiguration. Dabei wird die bereits von PROFIBUS PA bekannte Trunk/Spur-Methodik verwendet.
Wie in der Ethernet APL Technologie definiert, gibt es zwei generelle Arten von Netzwerksegmentkonzepten:
1. Der „Trunk“ bietet hohe Leistungs- und Signalpegel für große Kabellängen bis zu 1000 m.
2. Die „Spur“ überträgt geringere Leistungen mit optionaler Eigensicherheit für Längen bis zu 200 m.
Für den Aufbau einer beliebigen Netzwerktopologie sind derzeit zwei Arten von Switches definiert:
1. Der Power-Switch versorgt einen oder mehrere Trunk-Ports mit Strom und Kommunikation. Er wird in der Regel extern mit Strom versorgt.
2. Der Field-Switch stellt mindestens einen Port zur Verfügung, an den ein Trunk angeschlossen werden kann. Er kann über die Hauptleitung oder extern gespeist werden.
Dies ermöglicht die Erstellung von Typologien, wie sie z.B. in der Abbildung dargestellt sind:
Die folgenden technischen Daten sind als wesentliche Merkmale von Ethernet-APL und damit auch von PROFINET over APL definiert:
Hier finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen:
Da sich die Kommunikationstechnologie in der Prozessautomatisierung über Jahrzehnte entwickelt hat, gibt es viele verschiedene Systeme, die nicht direkt miteinander vergleichbar sind und alle ihre eigenen Eigenschaften haben.
Ein Vergleich der grundlegenden Kommunikationsaspekte (Länge, Geschwindigkeit, Kabeltyp usw.) und Netzwerkaspekte kann jedoch einen groben Anhaltspunkt liefern:
Eindeutig ja, denn PROFINET ist eine medienunabhängige Ethernet-basierte Technologie. PROFINET nutzt klassische Kupfer-CAT-Kabel, Lichtwellenleiter, WLAN und damit Ethernet-APL, das als ein weiteres Medium betrachtet werden kann. Damit stehen alle Eigenschaften und Vorteile, die PROFINET zu einer führenden Kommunikationstechnologie machen, auch auf dem Ethernet-APL-Medium (Physical Layer) zur Verfügung.
Da PROFINET über APL mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s arbeitet, ist ein Überbrückungsgerät wie ein Switch oder Konverter erforderlich, um die elektrisch unterschiedlichen Medien 100BASE-TX und 10BASE-T1L miteinander zu verbinden.
Aus Sicht des Anwenders und des Datenaustausches verhält sich PROFINET transparent und bietet alle Möglichkeiten, die von der Technologie bereits bekannt sind.
Das Projekt zur Entwicklung von Ethernet-APLs hat bereits erste Meilensteine erreicht, wie die folgende Infografik zeigt. Zusammen mit der Freigabe der 10BASE-T1L-Spezifikation durch die IEEE sind die Fortschritte bei den IEC-Spezifikationen für 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet (2-WISE) und Power Port Profile auf einem guten Weg.
Die endgültigen PHY-Chips werden Anfang 2021 verfügbar sein, so dass die ersten Feldgeräte und Infrastrukturkomponenten voraussichtlich ebenfalls 2021 verfügbar sein werden. Für die Installation eines Ethernet-APL-Systems wird rechtzeitig eine Engineering Guideline zur Verfügung stehen.
Ein erstes Pilotprojekt mit Ethernet-APL-Prototypen in Deutschland hat das Funktionsprinzip und die Vorteile der Technologie demonstriert. Die Installation von 2-Draht-Ethernet-Feldgeräten, sowohl Aktoren als auch Sensoren für alle Arten von Messgrößen, demonstriert die Einfachheit der Feldgeräteinstallation, die Integration in die Prozessautomatisierungssysteme und den parallelen Zugriff auf die Daten der Feldgeräte.
Ja, das wird der Fall sein. Geräte, die für PROFINET entwickelt werden, müssen die von PI definierten Zertifizierungskriterien erfüllen, und die Tests für PROFINET-over-APL-Geräte werden sich nicht unterscheiden.
PROFINET ist allgemein bekannt für seine Flexibilität, Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit in der Fabrik- und Prozessautomatisierung. Der Einsatz von PROFINET über Ethernet-APL ermöglicht es dem Anwender, seine gesamte Automatisierungsanlage zu digitalisieren und dabei die umfassende Konnektivität eines Ethernet-Netzwerks zu nutzen.
Damit werden die Erwartungen der Anwender an eine neue Technologie erfüllt, die
- einfach in bestehende Anlagen integriert werden kann
- Transparenz und offenen, parallelen Zugang zu bewährter Feldinstrumentierung bietet
- Interoperabilität auf der Basis eines einzigen Netzwerks gewährleistet;
- standardisierte und akzeptierte Verfahren für explosionsgefährdete Bereiche bietet
- erreicht eine einfache, flexible und herstellerunabhängige Nutzung aller Gerätefunktionen.
Darüber hinaus bietet die verbesserte Konnektivität ein leistungsfähiges Werkzeug zur Reduzierung der Komplexität im täglichen Betrieb und bei der Arbeit. Die Verfügbarkeit einer einzigen Netzwerktechnologie eröffnet sowohl Geräteherstellern als auch Anlagenbetreibern neue Geschäftsmöglichkeiten.
Ethernet-APL ist eine physikalische Kommunikationsschicht (Medium), die zwei Geräte elektrisch miteinander verbindet und es ihnen ermöglicht, Daten über eine Zweidrahtleitung auszutauschen, wie es IT-Geräte tun - jedoch angepasst an die Bedürfnisse der Prozessautomatisierung.
PROFINET über APL nutzt diese physikalische Kommunikationsschicht wie andere Kabel oder WLAN.
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