Testaufbau bei BASF

Um praktische Erfahrungen zu sammeln, hat BASF in Ludwigshafen ein voll funktionsfähiges Netzwerk mit Ethernet-APL-Komponenten aufgebaut. In diesem Testaufbau kommt auch ein Prototyp mit Ethernet-APL, Profinet und Profisafe zum Einsatz. Dabei handelt es sich um die weltweit erste voll funktionsfähige SIL3-Kommunikation via Ethernet-APL. Hier wird die konkrete Anbindung auf zwei Schichten betrachtet:

Erstens erfolgt die physikalische Anbindung mittels Fast-Ethernet von der Hima-Sicherheitssteuerung zum Ethernet-APL-Switch von Pepperl+Fuchs. Dies wird in gewohnter Weise mit einer Ethernet-Leitung mit RJ45-Steckern ausgeführt. Von dort geht es weiter mit Ethernet-APL. Die Verbindung ist mit einer 2-Draht-Leitung ausgeführt, die an beiden Seiten mit Schraubklemmen aufgelegt ist. Ein Sensor von Endress+Hauser kann nun mit Energie und Daten versorgt werden. 

Zweitens findet die logische Anbindung, also wie die Daten ausgetauscht werden und welche Bedeutung sie haben, über Profinet und Profisafe statt. In diesem Fall tauscht die Hima-Sicherheitssteuerung direkt mit dem Sensor von Endress+Hauser Daten in digitaler Qualität über Profinet und Profisafe aus. Somit ist sichergestellt, dass die Daten korrekt, unverfälscht und mit maximaler Genauigkeit aus dem Sensor in die verarbeitende Einheit übertragen werden. 

Vergleich zu bisherigen Technologien

Welche Vorteile bieten sich nun durch die Kombination von Ethernet-APL mit Profinet und Profisafe gegenüber den etablierten Technologien: 4...20 mA, Hart, Remote-IO und Feldbussen?

4...20-mA-Verkabelung: Vor allem bei der Übertragung sicherheitsrelevanter Daten ist derzeit die 4…20-mA-Schnittstelle in der Prozessautomation dominant. Bezüglich der Anschlusstechnik hat Ethernet-APL gegenüber der 4...20-mA-Technik den Vorteil, dass mit einer einzelnen Leitung einfach eine Verbindung über nahezu beliebige Distanzen ins Feld aufgebaut werden kann. Wird eine erhöhte Verfügbarkeit benötigt, kann diese mittels eines Rings bereitgestellt werden. Der Verdrahtungsaufwand ist mit Ethernet-APL geringer als bei 4…20 mA. Des Weiteren entfällt eine Rangierebene und bei Anlagen im Ex-Bereich werden die Ex-Trenner durch den APL-Switch ersetzt. Damit wird zusätzlich Schaltschrankraum eingespart. 

4…20-mA-Genauigkeit: Ein Nachteil einer 4…20-mA-Schnittstelle ist, dass Signale vom Sensor zur Sicherheitssteuerung mehrfach zwischen analog und digital gewandelt werden müssen und ein störanfälliger Analogwert übertragen wird. Diese Ungenauigkeit kann durch eine höher auflösende Analog-Digital-Wandlung in der Steuerung nicht kompensiert werden. Aus diesem Grund sind Sicherheitsreserven einzuplanen.

In modernen Messumformern werden die intern zur Verfügung stehenden Daten jedoch ohnehin digital bearbeitet. Diese sind bei digitaler Kommunikation unverfälscht und mit höherer Genauigkeit bereitstelltbar. Die Sicherheitsreserven können somit reduziert und die Anlage kann näher am Limit betrieben werden. Je nach Prozess lassen sich damit beispielsweise ein höherer Output, geringerer Energiebedarf oder besserer Qualität des zu produzierenden Gutes erreichen.

4…20-mA-Informationsgehalt: Der Informationsgehalt von 4…20 mA ist eher gering und der Wert muss immer in der verarbeitenden Einheit interpretiert werden. Des Weiteren liegt der gültige Bereich für Prozesswerte zwischen 4 mA und 20 mA. Daraus resultiert, dass ein Wert über 20 mA kein gültiger Prozesswert ist und in der Anzeige eines Fehlerzustands mündet. Das bedeutet jedoch auch, dass entweder ein Prozesswert oder ein Fehler angezeigt wird. 

Bei digitaler Übertragung könnten mehrere Werte wie Prozesswert und Gesundheitszustand des Feldgeräts übertragen werden. Wird ein Wartungsbedarf vom Feldgerät festgestellt, lässt sich dies im digitalen Datensatz mitteilen. Die Anlage ist bis zur Durchführung einer präventiven Wartung weiter betreibbar. Somit wird die erhöhte Anlagenverfügbarkeit garantiert.

4…20 mA mit Hart: Bei Hart werden auf das analoge Signal digitale Daten moduliert. Damit sind neben dem Prozesswert Zusatzinformationen wie der Gesundheitszustand eines Feldgeräts übertragbar. Diese Übertragung mittels Hart ist langsam und stellt zudem wenig Daten bereit. Weiterhin beeinträchtigt sie die Genauigkeit des Prozesswerts. Außerdem lassen sich die zusätzlichen Daten nicht für sicherheitstechnische Anwendungen verwenden.

Bei einer digitalen Anbindung mit Ethernet-APL und Profinet hingegen, können schnell große Datenmengen zur Verfügung gestellt werden. Mit Profisafe sind die Informationen direkt für die Sicherheitstechnik verwendbar. So sind beispielsweise bei Differenzdruckmessungen auch zusätzliche Prozesswerte (beide Drücke) sicherheitstechnisch auswertbar. Auch die Übertragung von Einheiten der Messwerte ist möglich, was eine Interpretation der Daten in der Sicherheitssteuerung nicht mehr notwendig macht, denn sie erhält die Informationen direkt aus dem Feld.

Eine zentrale Konfiguration und Inbetriebnahme ist mit der Hart-Lösung und der Ethernet-APL/Profinet-Lösung möglich. Ethernet-APL bietet jedoch aufgrund der schnelleren Übertragung deutlich umfangreichere Möglichkeiten.

Remote-IO mit oder ohne flexible IO: Remote-IO, egal ob mit oder ohne flexible IO, haben gegenüber der 4…20-mA-Lösung den Vorteil einer vereinfachten Verkabelung und damit meist auch einer flexibleren und einfacheren Planung. Am Ende verlegen sie aber nur die IO in das Feld und sind immer noch 4…20-mA-Schnittstellen. Der geringere Informationsgehalt und die Ungenauigkeit der Prozesswerte entsprechen daher (fast) der direkten 4…20-mA-Lösung. Je nach Ausführung sind auch der Hardware-Overhead und der Platzbedarf bei Ethernet-APL deutlich geringer als bei Remote IO.

Feldbussysteme: Feldbussysteme wie Profibus stellen einen ersten Ansatz dar, die digitale Kommunikation in der Feldebene zu etablieren. Zur Verwendung kommen hier meist serielle Verbindungen. Feldbusse haben den Nachteil, im Vergleich zu Ethernet-APL sehr langsam (Faktor 300) und recht fehleranfällig zu sein.