Von |November 23, 2021|Kategorien: Explosionsschutz, Grundlagenwissen, Industrie 4.0|

Ethernet-APL einfach erklärt – so geht parallele Kommunikation

Der Ethernet Advanced Physical Layer, kurz Ethernet-APL, ist die physikalische Schicht für die Datenübertragung in das Feld der Prozessanlage. In diesem Blogbeitrag erklären wir in einfacher und verständlicher Sprache, was Ethernet-APL genau ist, wie parallele Kommunikation heute funktioniert und welche Anwendungsoptionen es gibt.

Was ist Ethernet-APL?

Ethernet-basierte Protokolle wie EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA oder PROFINET verwenden unterschiedliche physikalische Schichten für den Leittechnikraum oder die Fabrik. Das lässt sich anhand des ISO/OSI-Referenzmodells (Abb. 1) erklären, das Kommunikation über unterschiedlichste Systeme hinweg generisch beschreibt.

ISO-OSI-Referenzmodell

Abbildung 1: Das ISO/OSI-Referenzmodell mit Beispielen von Industrieprotokollen

Schicht 1, der Physical Layer, definiert für eine drahtgebundene Physik die Elektrik: Installationstechnik wie Kabel und Klemmen, Signalpegel, Stromversorgung und den elektrischen Explosionsschutz.
Schicht 7 definiert was die Bits und Bytes repräsentieren, beispielsweise wie der Wert eines Analogeingangs, ein Zähler oder ein digitaler Ausgang beschrieben sind. Techniker und Ingenieure betrachten im Zusammenhang mit industriellen Protokollen häufig alle Schichten als eine funktionale Einheit, wie etwa bei FOUNDATION Fieldbus H1 and PROFIBUS PA (Abb. 1 rechts). Bei Ethernet-basierten Protokollen ist diese vereinfachte Betrachtungsweise jedoch nicht mehr möglich. Ethernet-Protokolle können unterschiedliche Medien verwenden: sie kommunizieren beispielsweise mit Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s, 100 Mbit/s oder 1 Gbit/s und laufen über Glasfaser oder sogar über WIFI (blaue Kästchen in Layer 1) – und schließlich über Ethernet-APL. Das ist der Physical Layer, der für die raue, sehr anspruchsvolle Umgebung im Bereich von Prozessanlagen geeignet ist (grünes Kästchen in Layer 1).

Ethernet-APL-Zweidrahtleitung

Ethernet-APL ermöglicht eine schnelle und effiziente Kommunikation großer Datenmengen mit einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s. Die Zweidrahtleitung überträgt gleichzeitig Daten und Strom mit bis zu 92 W.

Übrigens, wussten Sie schon? Der Schrägaufzug am Pariser Montmartre betreibt das auf Ethernet basierte PROFINET und PROFIsafe drahtlos zwischen den Waggons und den Stationen, um einen sicheren und zuverlässigen Transport der Fahrgäste zu gewährleisten. Lesen Sie hier: Reaching Montmartre safely, thanks to PROFIsafe (English).

Was bedeutet “Parallele Kommunikation über Ethernet” eigentlich?

Ganz einfach – denken Sie nur an Ihren Alltag. Wo arbeiten Sie? Zuhause, unterwegs oder im Büro? Parallele Kommunikation ist inzwischen Standard: Sie können gleichzeitig telefonieren, E-Mails bearbeiten und auf einer Website surfen. Ihre Kinder wiederum können in ihren Zimmern auf ihren mobilen Endgeräten am Homeschooling teilnehmen oder Online-Videospiele spielen. Und das Gleiche passiert in den Nachbarhäusern. Das ist parallele Kommunikation, die über Ethernet und andere physikalische Schichten wie Kabel oder DSL übertragen wird.

Folgende Analogie macht das noch deutlicher: Ethernet ist die Straße, und die Protokolle sind Automarken, wie z. B. PROFINET, OPC UA, EtherNet/IP, HTTP, SIP, VoIP. Die Straße transportiert beliebige Fahrzeuge mehrerer Marken. Mehrere PKW oder LKW können hintereinander auf derselben Straße fahren, bis so viel Verkehr herrscht, dass es zu einem Stau kommt. Hier kommen Netzwerkarchitekten ins Spiel: sie erarbeiten das passende Design, damit der Verkehr ohne Überlastung ordnungsgemäß fließen kann. So gesehen baut Pepperl+Fuchs mit Weichen und Abzweigdosen die Straße und führt mit der Diagnose für den Physical Layer sozusagen die Straßeninstandhaltung durch.

Für das Feld der Prozessautomation bedeutet parallele Kommunikation, dass verschiedene Systeme parallel auf Daten der Feldgeräte zugreifen können. Dabei werden Anwender in der Regel folgende Auswahl treffen:

  • Ein echtzeitfähiges Protokoll zur Anlagensteuerung basierend auf der Wahl des Leitsystems oder der SPS. NAMUR empfiehlt PROFINET oder EtherNet/IP.
  • Ein oder mehrere Protokolle für andere Anwendungen zur Verarbeitung von Diagnosemeldungen, Alarmen oder zum Konfigurationsmanagement:
    NAMUR empfiehlt OPC UA. Viele Hersteller, darunter auch Pepperl+Fuchs, implementieren dieses Protokoll in ihren Feldgeräten.
    HART-IP: Das bieten heute zum Beispiel die Pepperl+Fuchs Remote-IO-Produkte.
    HTTPS: Sie surfen von Ihrem Smartphone oder PC zum Gerät. Das zeigen alle Anbieter bereits heute mit ihren Demos.

Ethernet-Protokolle

Echtzeitfähige Ethernet-Protokolle

Mehrere Optionen für den Datenzugriff via Endgerät

Beginnen wir wieder mit einem Beispiel: wenn Sie Ihren Webbrowser auf eine bestimmte Webseite leiten, ist der Webbrowser Ihr Client und verbindet sich mit dem Server des Webseiten-Betreibers. Mit Ethernet-APL können Sie die Webseite eines Gerätes aufrufen. Das Gerät selbst hostet dann den HTTPS-Server, mit dem Sie interagieren: Sie können auf Status und Alarme zugreifen oder Handbücher und Zertifikate anzeigen. Dies geschieht parallel zu den Zugriffen vom Leit- oder Asset-Management-System.

Feldgeräte mit Ethernet-APL können diese Funktionen hosten, abhängig von der Implementierung des Geräts durch den Hersteller. Ethernet-APL eröffnet Möglichkeiten für den parallelen Zugriff und Anwendungen, die das Arbeitsleben aller, die mit Instrumentierung und Automatisierung arbeiten, bereichern und verbessern. Dies wird Anwender in die Lage versetzen, ihre Anlage hinsichtlich Arbeits- und Anlagensicherheit, Produktionsqualität und Ertrag weiter zu optimieren.

Ethernet-APL_Gerätezugriff

Mit Ethernet-APL haben Sie Zugriff auf alle relevanten Daten, wie Physical Layer Diagnose, Geräteinformationen, Status und Konfiguration. Dies ermöglicht eine Echtzeit-Prozessüberwachung sowie auch die vorausschauende Wartung.

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