A folyamatirányító terepi műszerek évek óta nemcsak mérési feladataikat látják el, hanem további információkat is szolgáltatnak. Ez elméletileg átláthatóvá teszi a telepített bázist, és részletes műszerdiagnosztikai információkat biztosít, amelyek felhasználhatók például a műszerek megelőző karbantartására.

Ez a hozzáadott érték azonban a jelenlegi technológiával csak részben valósítható meg. A 4–20 milliamperes analóg technológia, hogy egy példát említsünk, folyamatszabályozási feladatokra alkalmas, de további adatelérésre nem. A kiegészítő HART protokoll, amelyet ma elsősorban a műszerek konfigurálására használnak, egyszerűen túl lassú az átfogó adateléréshez. A sok éve ismert terepibusz (fieldbus) technológia javította ezt a szempontot, de még mindig kimondottan lassú. Ezenkívül a terepibusz technológia sok felhasználó számára túl bonyolultnak bizonyult az évek során, és ennek következtében nem sikerült teljesen meghonosítani.

Együtt fejlődő világok

Egy pillantás más iparágakra azt mutatja, hogy az Ethernet nemcsak az irodai környezetekben vált szabványossá, hanem ipari alkalmazásokban is előszeretettel használják. A fő előny a nagy sebesség és az informatikai rendszerekbe való zökkenőmentes integráció.

„Csak a feldolgozóiparban volt az, hogy az Ethernet specifikációi eddig nem feleltek meg az üzemeltetők elvárásainak” – nyilatkozta Benedikt Spielmann, az Endress+Hauser ipari kommunikációs marketingvezetője.

„Míg az Ethernet az adatátvitel gyors módja, minden komponens külön áramforrást igényel. Ez jelentős kábelezési erőfeszítést és ezzel magasabb költségeket jelent. Ezenkívül az Ethernetet eddig 100 méteres kábeltávolságra korlátozták, míg a folyamatrendszerek gyakran 1000 méterig terjednek. Egy másik probléma, hogy az RJ-45 csatlakozókat nem zord terepi környezetre tervezték. És eddig a legerősebb érv az Ethernet feldolgozóiparban való használata ellen az volt, hogy a belső biztonság hiánya miatt nem volt megfelelő az ex-zónákhoz.”

A vezető gyártók és felhasználói szervezetek néhány évvel ezelőtt összefogtak, hogy kiküszöböljék ezeket a hátrányokat. Az APL Csoport azt a célt tűzte ki maga elé, hogy az Ethernet technológia alapvető előnyeit a folyamatrendszerekben is ki tudják használni, és az Ethernetet formába hozzák a feldolgozóipari terepi használatra: áram- és adatátvitel ugyanazon a kéteres kábelen keresztül, alkalmasság ex-zónákra, nagy sávszélességre és hosszú kábeltávolságra.

A specifikációval kapcsolatos munka mostanra befejeződött. A technológiát a virtuális Achema 2021 konferencián hozták nyilvánosságra.

„Az Ethernet-APL technológia bevezetése az Achema Pulse során fontos mérföldkő volt” – mondta Benedikt Spielmann. „Minden előírást és irányelvet az ütemterv szerint teljesítettek. Az első Ethernet-APL műszerek bemutatása a több gyártóból álló APL kiállítófalon feltűnően szemlélteti, hogy minden résztvevő gyártó dolgozik APL portfólióján. Abba is betekintést nyert, hogy mely ügyfélalkalmazások profitálhatnak az új technológiából.”

APL projekt munkacsomagok

A munkacsoport egyik elsődleges feladata a gyújtószikramentes biztonság garantálása volt, amihez először az erőátvitel korlátozására volt szükség. Ez a követelmény kezdetben ellentmondott a nagyobb sávszélesség, a hosszú kábeltávolságok és az elektromágneses interferencia elleni védelem követelményének. A kábellel és a csatlakozóval, vagy a csatlakozás típusával kapcsolatos kérdéseket is meg kellett válaszolni. Az összes kihívást sikeresen megoldották. A megoldást különféle munkaanyagok, szabványok és dokumentumok rögzítik:

• 10BASE-T1L: Az IEEE802.3cg-2019 specifikáció a teljes duplex 10 MB adatátvitelt határozza meg kéteres kábelen keresztül, akár 1000 méteres távolságban. Ez az alapja a fizikai rétegbeli komponensek (Ethernet-APL eszközök kódolását és dekódolását szolgáló mikrochipek) gyártásának is.
• 2-WISE: A kétvezetékes gyújtószikramentes Ethernet (2-WISE) koncepciója a FISCO (fieldbus) gyújtószikramentes koncepción alapul. A kompatibilis ex-i paraméterek révén leegyszerűsödik a meglévő terepibusz telepítésekre való áttérés, és az egyszerű telepítés az ex-zónákban kiterjedt érvényesítés nélkül biztosított.
• Portprofilok: Az APL portprofil specifikációja határozza meg a funkcionális és elektromos követelményeket több energiakoncepcióval. Ez különböző topológiákat tesz lehetővé, mint például a közös trunk-and-spur koncepció, akár 1000 méterrel a törzsön és 200 méterrel a leágazáson. A specifikáció ezenkívül beépítési irányelveket is tartalmaz, mint például a jóváhagyott kábelek, árnyékolás és földelés, valamint a bilincscsatlakozások és az M8/M12 dugaszoló csatlakozók meghatározása.
• Műszaki útmutató: Ez az útmutató részletes információkat tartalmaz az APL hálózatok tervezéséhez, telepítéséhez és üzembe helyezéséhez.
• Megfelelőségi tesztspecifikáció: Annak biztosítására, hogy egy Ethernet-APL eszköz megfeleljen a megadott specifikációknak, létrejön egy megfelelő tesztspecifikáció. Ezek a tesztek képezik az Ethernet-APL eszközöknek az érintett felhasználói szervezetek által üzemeltetett akkreditált tesztlaborok általi tanúsításának alapját, így biztosítva az Ethernet-APL eszközök interoperabilitását a végfelhasználó számára.

Valós élmény

Az APL technológiát már a normák és előírások, valamint az ennek megfelelően tervezett eszközök hivatalos bevezetése előtt sikeresen implementálták valós környezetben. A BASF 2019-ben a németországi ludwigshafeni telephelyén különféle gyártók APL prototípusait telepítette. A tesztek a telepítéstől és üzembe helyezéstől a folyamatvezérlő rendszerrel párhuzamos adatok exportálásáig terjedtek. A NAMUR 2019-es közgyűlésén már megvitatták az ígéretes eredményeket a feldolgozóipari automatizálási szolgáltatók. Dióhéjban jelezték, hogy az Ethernet-APL a következő előnyöket kínálja:

• A csatlakozók és a különböző topológiák egyszerű és rugalmas telepítést tesznek lehetővé.
• A távoli hozzáférés és a gyors adatátvitel leegyszerűsíti és felgyorsítja a rendszer üzembe helyezését.
• A kétvezetékes terepibusz kábelen keresztüli Ethernet stabil kommunikációt biztosít.
• Az intelligens műszerekből származó adatok továbbíthatók a folyamatvezérlő rendszerben a NAMUR Open Architecture szerint.

„Tíz évvel ezelőtt egy Ethernet-kapcsolattal rendelkező áramlásmérőt hoztunk a piacra, és azóta fokozatosan bővítettük a portfóliót” – mondta Spielmann a fejlesztésre visszatekintve. A válasz rendkívül pozitív volt, különösen az élelmiszer- és italipar részéről. „Több folyamatadat és több diagnosztikai információ átláthatóságot teremt, és elősegíti a munkafolyamatok optimalizálását. A felhasználók ezt a kiegészítő funkcionalitást a digitalizálás szempontjából nagyon jól fogadták” – számolt be Spielmann.

A végponttól végpontig terjedő Ethernet technológia a hatékonyság és az egyszerűség terén az előnyök széles skáláját kínálja, különösen a műszerek karbantartása során. A felhasználók egy integrált webszerver előnyeit élvezhetik, amely leegyszerűsíti a helyszíni műszerek távoli elérését a paraméterek konfigurálásához vagy a hibaészleléshez. Még a firmware-frissítések is lehetségesek ezzel a távoli hozzáféréssel, beleértve a nagy sávszélességet is. Az Ethernet teljesítménye elősegíti az olyan szabványos alkalmazások használatát is, mint például a mérési pont jelentések létrehozása vagy a paraméterkészletek feltöltése, illetve letöltése.

A jövőben az adatokhoz való hozzáférés értelmezési problémák nélkül is lehetséges lesz, mivel az információk elérhetők lesznek az olyan digitális szolgáltatások számára, mint az Endress+Hauser Netilion ökoszisztémája. Elméletileg ez a kapcsolat más protokollokkal is működik, mint például a PROFIBUS vagy a HART. Az Ethernet-APL azonban több adatot tesz elérhetővé – és gyorsabban. Tipikus példa a prediktív karbantartás, amelyet a helyszíni műszerek valós idejű adataival vezérelnek.

„Bár az algoritmusok a terepi műszerekben vannak, a felhőben is fel kell dolgozni őket. Az Ethernet-APL segítségével az adatok elérhetővé tétele érdekében az adatforgalmi út a helyén van. Ha mindez a HART-on keresztül történne, a hálózat folyamatosan túlterhelt lenne, az adatátvitel pedig elviselhetetlenül hosszú lenne” – magyarázta Spielmann.

Egy másik szempont, hogy az Ethernet-APL is támogatja jelenleg a vegyipar számos üzemében alkalmazott moduláris megközelítést. Tetszőleges számú APL szegmens hozzáadható a más szegmensekben már használt kialakítással. Először a topológiát kell beállítani; minden más, mint például a név hozzárendelés vagy az indítási paraméterek a PROFINET mint Ethernet protokoll példájában, automatikusan átkerül a műszerekbe.

„A jelenlegi kétvezetékes Ethernet-megközelítéssel a vegyipari, olaj- és gázipari, ásványi és bányászati ​​szegmensben is vonzzuk a felhasználókat, ahol ugyanazok a követelmények a digitalizáció tekintetében. Most biztosítjuk a számukra szükséges portfóliót” – mondta Spielmann.

Az Endress+Hauser dolgozik az Ethernet-APL termékportfólió fejlesztésén. Az APL specifikáció elkészültével és a PHY chipek rendelkezésre állásával a puzzle szükséges darabjai a helyükre kerültek. Az áramláshoz, szinthez, nyomáshoz és hőmérséklethez szükséges Ethernet-APL műszerek 2022 első felében kerülnek a piacra.

„Ezért Ethernet csatlakozási termékek széles portfólióját kínáljuk a meglévő négyvezetékes Ethernet áramlási és folyadékelemzési műszerek mellett.” – foglalta össze Spielmann.