Ethernet- APL: communicatie en stroom over 2 draden

Besturingstechniek
Constance Schmitz*

Communicatie en stroom over 2 draden

Ethernet is de facto de communicatiestandaard in kantoren en ondernemingen, maar zonder aanpassingen voldoet het niet aan de eisen van de procesautomatisering, want procesinstallaties moeten altijd veilig zijn voor mens, product en milieu. Explosiepotentieel in gevaarlijke gebieden en zware omstandigheden vereisen dat elke inzet van nieuwe technologie grondig wordt getest en extra zakelijke voordelen oplevert, en zij mag niet ingewikkeld zijn in de omgang of uitgebreide training vereisen.

In de productie-industrie maken het Industrial Internet of Things (IIoT) en Industrie 4.0 al deel uit van de dagelijkse bedrijfsvoering. In de nabije toekomst zullen deze technologieën zich ook op het gebied van procesautomatisering en instrumentatie begeven. In de procesindustrieën promoten domeinspecifieke concepten zoals de NAMUR Open Architecture (NOA) of de Open Process Automation Standards (O-PAS) van het Open Process Automation Forum (OPAF) momenteel de efficiënte constructie, inbedrijfstelling en de exploitatie van procesinstallaties. Een breder gebruik van draadloze oplossingen, vereenvoudigde integratie van veldapparatuur en Ethernet naar het veld vormen hierbij integrale componenten. Ethernet met een Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) maakt lange kabellengtes en explosiebeveiliging mogelijk via intrinsieke veiligheid met communicatie en stroom over twee draden. Gebaseerd op IEEE- en IEC-standaarden ondersteunt Ethernet-APL elk op Ethernet gebaseerd automatiseringsprotocol en heeft het potentiëel zich tot één enkele, langdurig stabiele technologie voor de gehele procesautomatiseringsgemeenschap te ontwikkelen.

‘The APL Project’
De overeenkomst om de Ethernet-APL-technologie te ontwikkelen onder ‘The APL Project’ werd in 2018 tot stand gebracht en ondersteund door de industriestandaard-ontwikkelingsorganisaties (SDO’s) FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation en PROFIBUS & PROFINET International, evenals door grote industriële leveranciers van procesautomatisering, waaronder ABB, Emerson, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega en Yokogawa. Veldapparatuur bevat vaak veel slimme data over zichzelf, zoals zelfdiagnostische functionaliteiten. Ethernet-APL biedt de mogelijkheid om toegang te krijgen tot deze gegevens, parallel aan de procesbesturing. Deze technologie biedt afzonderlijk toegang tot het instrument en combineert zo de sterke punten van slimme instrumentatie met IIoT-toepassingen. Ethernet-APL vermindert de behoefte aan protocolconverters, extra systeemcomponenten of retrofitoplossingen die anders nodig zouden zijn.

Ethernet-APL – de technologie
Ethernet-APL is de robuuste, tweedraads, lusgevoede fysieke Ethernet-laag die gebruik maakt van 10BASET1L plus uitbreidingen voor installatie binnen de veeleisende bedrijfsomstandigheden en gevaarlijke gebieden van procesinstallaties. Het maakt een directe verbinding van veldapparatuur met op Ethernet gebaseerde systemen mogelijk, zodat procesindustrieën kunnen profiteren van een convergentie van hun OT- en IT-systemen. Door gebruik te maken van een geschakelde architectuur wordt ongewenste interferentie geëlimineerd tussen apparaten die op hetzelfde netwerk zijn aangesloten.

Ethernet-APL maakt gebruik van technologieën en opties die al langer bestaan op het gebied van procesautomatisering. Dit omvat de beproefde ‘trunk and spur’-topologie, met de mogelijkheid om maximaal 50 veldapparaten van elk maximaal 500 mW van stroom te voorzien. Er zijn veelgebruikte en gevestigde kabelinfrastructuren gespecificeerd om de migratie van ‘brownfield’-installaties naar Ethernet-APL te ondersteunen. Ethernet-APL is een verbeterde fysieke laag voor single-pair Ethernet (SPE), gebaseerd op 10BASE-T1L, zoals weergegeven in figuur 1. Het communiceert via een kabellengte tot 1000 m bij 10 MBit/s, full- duplex, wat ruim 300 keer sneller is dan huidige technologieën, zoals HART of veldbus. Het is de logische uitbreiding voor Ethernet en biedt de attributen die nodig zijn voor een betrouwbare werking op het gebied van een procesinstallatie. Ethernet-APL is een fysieke laag die EtherNet/IP, HART-IP, OPC-UA, PROFINET of elk ander protocol op een hoger niveau kan ondersteunen.

Schaalbaarheid en redundantie
Een beheerde geschakelde netwerkarchitectuur, een stroombudget tot 60 W en dataverkeer van 10 Mbit/s zorgen voor schaalbaarheid met betrekking tot het aantal Ethernet-APL’s schakelaars en instrumenten die kunnen worden aangesloten. Bovendien transporteert en maakt Ethernet-APL de functies van hogere niveaus van het ISO-OSI-model mogelijk. Deze functies op een hoger niveau voldoen aan de algemene eisen voor eenvoud, gemak en automatisering van het netwerk zelf, die gebruikers doorgaans verwachten van op Ethernet gebaseerde communicatie. Deze omvatten:

• Automatische buurtdetectie bij de schakelaar die daarvoor een eenvoudige apparaatuitwisseling mogelijk maakt.
• Meerdere communicatiepaden die parallel kunnen lopen. Gebruikers krijgen volledige toegang krijgen tot veldinstrumenten voor activabeheer en dashboards, zonder te interfereren met procesautomatiseringscommunicatie.
• Ringredundantie- of veerkrachtconcepten op de netwerklaag leiden communicatie om in het geval dat een Ethernet-APL-trunksegment faalt voor superieure installatiebeschikbaarheid.

Polariteitsonafhankelijkheid
Alle voor Ethernet-APL gestandaardiseerde verbindingskeuzes zijn bewezen in gebruik en bekend: veerklemaansluitingen, schroefklemmen en M8- en M12-connectoren. Voor de eenvoudige tweedraadskabel, met afscherming, is slechts een schroevendraaier nodig om connectiviteit te garanderen, en de bijbehorende draadvoorbereidingstools om fysiek verbinding te maken met de rest van de automatiseringsinstallatie. Ethernet-APL specificeert veldbuskabeltype A, IEC 61158-2 als referentiekabel. Dit biedt eenvoudige migratiestrategieën voor bestaande veldbusinstallaties, inclusief ondersteuning voor intrinsieke veiligheid. Ethernet-APL schrijft polariteitsonafhankelijkheid voor, waardoor bedradingsfouten tijdens de installatie worden verminderd.

“ELIMINATIE ONGEWENSTE INTERFERENTIE

Inherente diagnostiek van een op Ethernet gebaseerd systeem kan eenvoudig worden gebruikt om de robuustheid van het netwerk te bepalen, de signaalsterkte te detecteren en mogelijke installatieproblemen te identificeren. In samenwerking met het operationele personeel in de controlekamer kan het onderhouds- en engineeringteam elk apparaat eenvoudig en snel installeren, vervangen, opnieuw aansluiten en in bedrijf stellen. Installatierichtlijnen van de standaardontwikkelingsorganisaties bieden details en richtlijnen voor technici en elektriciens. De installatiehandleidingen behandelen de planning en selectie van kabeltypen, kabellengtes en parameters waarmee rekening dient te worden gehouden. Zoals alle op Ethernet gebaseerde technologieën bestaan er talloze software- en hardwaretools om het systeemgedrag gedurende de levensduur van de installatie te monitoren, verifiëren en testen.

Schakelaars
Veldschakelaars leveren voeding naar de spur waarop het veldapparaat is aangesloten. De spur heeft minder belangrijke vereisten wat betreft signaalsterkte en voeding. Twee soorten veldschakelaars ondersteunen eender welke topologie:

• De Ethernet-APL-veldschakelaar voor installatie in Zone 1 / Div. 2 wordt gevoed via de trunk. Hij verbindt APL-spurs met de trunk. Uitgangen zijn intrinsiekveilig, en ondersteunen verbindingen naar Zone 0 / Div. 1.
• De Ethernet-APL-DIN-rail-schakelaar is een veldschakelaar voor installatie in een besturingskast of ‘junction box’. Het verbindt Ethernet-APL-spurs met de ruggengraat (‘backbone’) van de fabrieksinstallatie. Het voedt zichzelf en de spurs via externe hulpbronnen.
• De Ethernet-APL-stroomschakelaar verbindt het Ethernet-APL-netwerk met het ethernet of de ‘backbone’ van de fabrieksinstallatie. Deze levert ook stroom naar de trunk. Deze stroomschakelaar wordt meestal in de besturingskast in de controlekamer geplaatst en wordt gevoed door een externe hulpbron.

Efficiëntie
Plantefficiëntie wordt steeds belangrijker in de procesautomatisering. Hiervoor moet ervoor worden gezorgd dat een procesinstallatie betrouwbaar functioneert, informatie geeft over toekomstige onderhoudsintervallen voor de instrumentatie, eenvoudig te diagnosticeren is in geval van storingen en werkt met apparaten van verschillende fabrikanten. De basis voor deze aspecten is het continu verzamelen en analyseren van gegevens uit de geïnstalleerde basis. Ethernet-APL ondersteunt alle volgende vereisten van een zeer efficiënte procesinstallatie.

Betrouwbaarheid: Gebaseerd op beproefde Ethernet-standaarden is de betrouwbare werking van de fabriek is verzekerd. Ethernet is al tientallen jaren de standaard in de IT-wereld en wordt ook al jaren met succes toegepast in de discrete, proces automatisering en hybride automatisering.

Hoge beschikbaarheid: Ethernet-protocolfuncties zorgen voor een hoge beschikbaarheid van het proces door beschikbaarheidsconcepten, bijvoorbeeld systeemredundantie bij controllerstoringen of mediaredundantie bij kabelbreuken.

Voorspellend onderhoud: Slimme veldapparaten bevatten de gegevens voor voorspellend onderhoud. Met Ethernet-technologie kunnen de gegevens toegankelijk worden gemaakt en worden gebruikt voor centrale monitoring van de apparaatstatus.

Diagnostiek: Voor Ethernet-technologie zijn eenvoudige netwerkdiagnosetools beschikbaar om de hoofdoorzaak en redenen voor storingen te identificeren.

Interoperabiliteit: Voor Ethernet-APL zullen test-specificaties en certificeringen beschikbaar zijn om de interoperabiliteit van componenten van verschillende apparaatleveranciers te garanderen. Deze zullen ook de uitwisseling van apparaten ondersteunen.

Samenvatting
Samengevat ondersteunt Ethernet-APL dit nieuwe dataparadigma door de technologische consistentie in en over de automatiseringspiramide. Met Ethernet-technologie op het gebied van procesinstallaties wordt operationele technologie (OT) geïntegreerd met IT-technologie en wordt de visie van de enkele netwerktechnologie bereikt. De toegang tot de gegevens uit het veld maakt nieuwe digitale diensten mogelijk overeenkomend met de zakelijke behoeften van de procesinstallatie. Ethernet-technologie biedt ‘real time’ toegang tot deze informatie. Er zijn nauwelijks grenzen aan de verdere verwerking van de gegevens in het kader van IIoT-toepassingen, zoals bijvoorbeeld vereist door NAMUR Open Architecture (NOA). Onderhoudsdashboards of trendmonitoring van proceswaarden ondersteunen de specifieke procesoptimalisatie.

*Constanze Schmitz is werkzaam als Analyst bij de ARC Advisory Group.