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Ethernet für die Prozessautomation

Eine Konzeptstudie

IP-basierte Kommunikation findet vermehrt Einsatz in prozesstechnischen Anlagen. Hohe Bandbreite, durchgängige Kommunikation und die Möglichkeit, Standardkomponenten aus dem Office-Bereich wie PC, Switches und Tablets verwenden zu können, verschaffen den Anwendern Vorteile im Umgang mit Technologie und Prozess.

Davon ausgenommen ist bisher die Feldebene der Prozessautomation. Sie stellt besondere Anforderungen an Robustheit und Lebensdauer, erfordert eine Tauglichkeit für explosionsgefährdete Bereiche zu akzeptablen Kosten. Schier unüberwindlich erscheinen die langen Distanzen zwischen Netzwerkknoten. Und seit Jahrzehnten ist die gemeinsame Übertragung von Stromversorgung und Kommunikation über ein gemeinsames Kabel etabliert.  Eigenschaften, die die in der Bürokommunikation etablierte Ethernet-Technologie nicht bieten kann.

Pepperl+Fuchs zeigt einen Lösungsansatz für einen neuen Physical Layer, welcher für die Verwendung von IP-basierter Kommunikation in der Prozessautomation für einfache Sensoren wie auch komplexe Geräte entwickelt wurde und die genannten Anforderungen erfüllt. Dieser Physical Layer überträgt beliebige Protokolle wie etwa die bereits in der Prozessindustrie etablierten Protokolle Ethernet/IP, PROFINET, HART-IP oder Modbus TCP/IP.

An Hand eines Demonstrators werden die integrierenden Eigenschaften einer durchgängigen Kommunikation vorgestellt und ein Migrationspfad für die bestehenden Installationen aufgezeigt. Die Feldgeräte halten die vollständige Dokumentation wie Handbuch, Datenblatt und Zertifikat vor und stellen diese zum Abruf über einen integrierten Web-Server bereit. Eine aufwändige Suche im Internet sowie die Archivierung entfallen. Das gilt auch für die Gerätebeschreibung in Form eines FDI-Package. Engineering-Werkzeuge wie PACTware™ können über einen Topologie-Scan alle angeschlossenen Teilnehmer automatisch erkennen. Das Werkzeug liest ohne Detailkenntnis über das Gerät die Gerätebeschreibung aus und baut die Benutzeroberfläche für den Gerätezugriff vollautomatisch auf. Alle Versionsprobleme beim Gerätetausch sind dadurch gelöst, nicht nur bei gleichem Gerät mit neuer Firmware sondern auch dann, wenn für die Messstelle das Gerät eines anderen Herstellers eingesetzt werden muss.

Die Migration von heutigen verwendeten digitalen Feldbuslösungen ist ebenfalls gewährleistet. Der neue Physical Layer ist kompatibel zu der bei PROFIBUS PA und Foundation Fieldbus H1 verwendeten 2-Leiter-Physik. Der im Feld installierte Switch erkennt automatisch die Kommunikation des Teilnehmers. Ob Ethernet, PROFIBUS PA oder andere: Der Switch passt den jeweiligen Geräteanschluss automatisch an Baudrate und Protokoll an und konvertiert die Daten. Beispielsweise wird für einen PROFIBUS-PA-Teilnehmer ein Proxy initialisiert, der die Daten über das Protokoll PROFINET an die übergeordneten Systeme weiterleitet.


Die Topologie des Demonstrators


Ein im Schaltraum installierter Switch verbindet das Prozessnetzwerk mit dem Standard-Ethernet-Netzwerk über Kabel oder Lichtwellenleiter. Dieser Switch bietet Ports für Kommunikation und Stromversorgung der Feldinstallation über ein Standard-Feldbuskabel. Ein im explosionsgefährdeten Bereich installierter Feld-Switch stellt eigensichere Ports für den Anschluss der Feldgeräte zur Verfügung. In dieser Konfiguration können sowohl Ethernet als auch PROFIBUS-PA-Feldgeräte betrieben werden.


Technische Eigenschaften des Physical Layer

  • IP-basierte Kommunikation und Stromversorgung über eine verdrillte Zweidrahtleitung 
  • Übertragungsrate bis 10 Mbit/s
  • Leitungslänge bis 1200 m
  • Verwendung von Standard-Feldbuskabel
  • Eigensichere Feldgeräteschnittstelle für den Betrieb in Zone 0 nach FISCO
  • Hohe Verfügbarkeit durch fehlertolerante Feldgeräteschnittstelle und Systemredundanzen
  • Unterstützung aller IP-Protokolle wie zum Beispiel: Ethernet/IP, PROFINET, HART-IP, Modbus TCP/IP, HTTP etc.

Highlights

  • Physical Layer geeignet für einfache Temperatursensoren bis zum komplexen Remote-IO-System
  • Hohe Übertragungsrate für schnelles Abrufen der in den Feldgeräten gespeicherte Gerätedokumentation und Gerätebeschreibung über einen Web-Browser
  • Minimierung von Wartezeiten bei Inbetriebnahme und Konfiguration
  • Schnellere Prozessdatenaktualisierung
  • Energieoptimierter Physical Layer erlaubt Anschluss von bis zu 60 Geräten ohne Verwendung von separater Hilfsenergie
  • Klare Migrationsstrategie mit transparenter Einbindung heutiger Feldbusse in die Ethernet-basierte Kommunikation - für die Umrüstung einer bestehenden Anlage ist nur der Austausch der Infrastrukturkomponenten notwendig