Ethernet-APL: Letzte Chance für die digitale Feldkommunikation

Erinnern Sie sich noch an das Geräusch des Internets? Einige von Ihnen erinnern sich vielleicht nostalgisch an das Geräusch ihres 56k-Wählmodems. Und gleichzeitig denken Sie wahrscheinlich „gute alte Zeiten, aber noch besser, dass sie vorbei sind“. In Zeiten von Highspeed-Internet zu Hause und 5G-Mobilfunkabdeckung wirken Datumsraten im kbit-Bereich eher veraltet. Dabei sind nicht nur die Datenraten in den letzten Jahrzehnten dramatisch gestiegen, sondern auch die Komplexität der Technik hat sich gleichzeitig deutlich verringert. Erinnern Sie sich noch an die Zeit, als für jedes Gerät ein spezieller Treiber von einer Diskette geladen werden musste? Oder an die umständliche Interaktion mit Ihrem Mobiltelefon, bevor das erste iPhone eine ganze Reihe von Geräten und Anbietern wegfegte, indem es die Benutzerinteraktion revolutionierte?

Während all dies für Ihre private Nutzung von Technologie gilt, ist dies im Bereich der Prozessautomatisierung nicht der Fall. Natürlich unterscheiden sich die Anforderungen in diesen Bereichen erheblich, insbesondere was die Robustheit und Verfügbarkeit betrifft. Dennoch sind niedrige Datenraten, eine komplexe Geräteintegration sowie ein hoher Aufwand beim Engineering immer noch große Hemmnisse bei der Digitalisierung von Anlagen.

Wechsel der Paradigmen: Ethernet-APL und eine gemeinschaftsbasierte Initiative zur Förderung der Akzeptanz

Ethernet-APL ist die Technologie, die schon seit einiger Zeit in den Startlöchern steht und die verspricht, diese Herausforderungen zu überwinden. Für die Endnutzer ist jedoch nicht die Technologie selbst entscheidend, sondern die Ausgereiftheit, Verfügbarkeit und Einfachheit ihrer Anwendung in der Praxis. Zudem handelt es sich nicht um eine individuelle Herausforderung, sondern um eine Herausforderung für die Prozessautomatisierung als Ganzes.

Daher hat der NAMUR-Vorstand vor fast zwei Jahren beschlossen, dass eine ganzheitliche Gemeinschaftsanstrengung notwendig ist, um die Technologieeinführung strategisch anzugehen. Während damals viele technische Fragen bereits beantwortet wurden, waren die Hauptprobleme die Verfügbarkeit von Geräten, das mangelnde Verständnis und die fehlende Transparenz sowie der Bedarf an konkreten Anwendungsfällen. Daraufhin gründete der NAMUR-Vorstand die so genannte NAMUR APL Task Force, die sich aus Vertretern von BASF, Bayer, Bilfinger, Covestro, Dow, Evonik, ExxonMobil und Lanxess zusammensetzte, um die Aktivitäten innerhalb der NAMUR zu synchronisieren und die Einführung der Technologie zu beschleunigen. Diese Aktivität war von Anfang an auf zwei Jahre befristet und lief von Anfang 2023 bis Ende 2024. Die Task Force spiegelt einen grundlegenden Paradigmenwechsel wider, nicht nur in technischer, sondern auch in organisatorischer Hinsicht: Einerseits wird die Branche einen bedeutenden Wandel in Bezug auf die Kommunikation in diesem Bereich erleben. Andererseits wurde eine Gemeinschaftsinitiative ins Leben gerufen, um Erfahrungen auszutauschen und die Zusammenarbeit zu fördern, anstatt dass alle Endnutzer diesen grundlegenden Wandel einzeln in Angriff nehmen.

Nun, da die Task Force ihr geplantes Ende erreicht hat, möchten wir die Gelegenheit nutzen, um die wichtigsten Beiträge zu rekapitulieren und einen Ausblick auf die weitere Reise unserer Gemeinschaft zu geben.

Abbildung 1: Projektübersicht innerhalb der NAMUR APL-Task Force ab 19.09.2024.

Jenseits von Buzzwords: Warum Ethernet-APL allein die Herausforderungen unserer Branche nicht lösen wird

Eine Sache, die Sie wahrscheinlich oft lesen, ist, dass Ethernet-APL entwickelt wurde, um die Probleme der Industrie zu überwinden, insbesondere um die schlechten Erinnerungen an die Feldbuseinführung zu beseitigen (und dieser Artikel tut dies auch!). Dies ist jedoch nicht die ganze Wahrheit: Ethernet-APL allein wird nur kleinere Probleme lösen, wie z. B. Bandbreitenengpässe. Die anderen großen Herausforderungen, mit denen wir konfrontiert sind, werden damit aber nicht angegangen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass nur dann ein echter und dauerhafter Wert für die Endnutzer entsteht, wenn eine Reihe von Technologien zusammenkommen. Dieser Satz von Technologien wird als "Technologiestapel" bezeichnet.

Die gute Nachricht ist, dass der Technologiewechsel auf der Kommunikationsschicht von Anbietern und Endnutzern genutzt wurde, um auch diese ergänzenden Technologien vorzubereiten und sie

in einen Technologiestapel zu verpacken. Dieser Stack besteht aus:

Ethernet-APL dient als Basisschicht, die eine Hochgeschwindigkeitsübertragung von Daten für eigensichere Anwendungen ermöglicht.

Darauf aufbauenden Protokollen, die relevante Daten in Echtzeit übertragen. Im Moment sind dies PROFINET oder EtherNet/IP, in Zukunft möglicherweise OPC UA FX.

Generische Geräteprofile nach NE 131, die NAMUR-Standardgeräte implementieren, z.B. das PA-Profil 4. Dies vereinfacht die Geräteintegration erheblich und ermöglicht die Verwendung eines einzigen Gerätetreibers für Messumformer verschiedener Hersteller und Versionen im Betrieb.

FDI (Field Device Integration) gekoppelt mit PA-DIM zur interoperablen Geräteintegration in Asset Management Systeme zur Geräteparametrierung und zur Strukturierung von Diagnoseinformationen für NAMUR Open Architecture Anwendungen.

Für künftige Anwendungen ist ein Sicherheitsprotokoll wie PROFIsafe, das die Verwendung des Technologiestapels innerhalb von Sicherheitsanwendungen ermöglicht, noch in weiter Ferne.

Obwohl dies in der Fachwelt bekannt ist, ist es für den normalen Endnutzer nicht selbstverständlich. Daher war eine der ersten Initiativen der APL Task Force die Aktualisierung der NE 168 als maßgebliches Anforderungsdokument, gemeinsam mit der zuständigen NAMUR-Arbeitsgruppe 2.6. Dieses Dokument bietet nicht nur eine Orientierungshilfe für Anbieter und Endanwender bezüglich des genannten Technologie-Stacks, sondern behandelt auch andere technische Fragen.

Evolution statt Revolution: Ein Gemeinschaftswerk

Eines muss jedem Endanwender klar sein: Bei der riesigen Basis an installierten Brownfield-Systemen können wir uns keine Revolution oder Störung innerhalb unserer Anlagen leisten. Stattdessen muss der Weg, den wir mit Ethernet-APL gehen, eher eine Evolution von Technologien und Anlagen darstellen. Dazu gehören Migrationspfade für die installierte Basis, aber auch Antworten auf andere relevante Fragen, wie z.B. die Sicherheit von Ethernet-basierten Feldinstallationen oder die Nutzung in Sicherheitsanwendungen. Darüber hinaus können wir als Endnutzer nicht alle diese Herausforderungen allein bewältigen: Es ist zwingend erforderlich, dass die Anbieter die Hindernisse verstehen, denen wir als kollektive Gemeinschaft begegnen.

All dies spiegelt die Hauptantriebskraft für die Aktivitäten der NAMUR APL Task Force wider: Sie konzentriert sich nicht nur auf die technischen Aspekte der Übernahme von Ethernet-APL durch die Industrie, sondern verfolgt stattdessen eine ganzheitliche, gemeinschaftsgetriebene und gemeinschaftliche Strategie.

Endnutzer, Sie sind nicht allein

Ein gutes Beispiel dafür ist das gemeinsame NAMUR-Positionspapier "Anforderungen an die nächste Generation von Ethernet-APL-Feldgeräten und -Komponenten" (siehe QR-Code am Ende), das in allen Arbeitsgruppen (AGs) des NAMUR-Arbeitsbereichs 3 "Elektro- und Leittechnik" sowie in den relevanten AGs für Ethernet-APL selbst (2.6), Security (4.18.3) und Safety (Sub-WG APL-Safety) abgestimmt wurde. Dieses Dokument spiegelt die erste konsolidierte Meinung der Endbenutzer darüber wider, was den Endbenutzern derzeit in Bezug auf Ethernet-APL fehlt, einschließlich eines speziellen Abschnitts über die Abwärtskompatibilität für "Brownfield"-Anwendungen.

Ein weiterer Beitrag der Task Force spiegelt sich in den bereits erwähnten Arbeitsgruppen wider: Obwohl Sicherheitsaspekte für Endanwender immer wichtiger werden, gab es innerhalb der NAMUR keine speziellen

WGs innerhalb der NAMUR, die sich mit diesen essentiellen Themen auf einer Ethernet-APL-spezifischen Basis befassten. Daher wurden auf Initiative der Task Force diese Arbeitsgruppen mit Unterstützung der zuständigen Arbeitsbereiche eingerichtet. In diesen arbeiten einerseits Experten aus verschiedenen Unternehmen gemeinsam an der Entwicklung prägnanter Sicherheitsanforderungen und -konzepte für Ethernet-APL-basierte Installationen. Andererseits treibt die NAMUR die Anwendung von Ethernet-APL im Sicherheitsbereich voran - hier in enger Zusammenarbeit mit der Herstellerseite, vertreten durch die entsprechenden Protokollorganisationen, wie PI für PROFIsafe und ODVA für CIP Safety.

Anbieter an Bord: Eine größere Gemeinschaft

Wie bereits erwähnt, umfasst unsere Ethernet-APL-Community nicht nur Endanwender, sondern es ist wichtig, sich auch mit den Herstellern eng abzustimmen und zusammenzuarbeiten. Daher hat der ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.) eine APL-Task-Force für die Herstellerseite gegründet. Beide Task Forces stehen in regelmäßigem und engem Kontakt, um aktuelle Bedürfnisse auszutauschen, Erfolgsgeschichten zu teilen und das Thema voranzubringen.

Als erster Beitrag ist hier die strukturierte Sammlung von Anwendungsfällen für Ethernet-APL in der Prozessindustrie zu nennen, die auf den Webseiten der NAMUR bzw. des ZVEI heruntergeladen werden kann: Diese gemeinsam entwickelte Sammlung dient dem gegenseitigen Verständnis von Endanwendern und Anbietern und spiegelt den erwarteten Nutzen von Ethernet-APL wider.

Eine zweite, noch laufende Aktivität ist die gemeinsame Arbeit an Brownfield-Migrationen für Ethernet-APL. Hier haben sich Anbieter und Endanwender zusammengetan, um den Weg für potenzielle Migrationsszenarien und -strategien zu weisen sowie Anforderungen und Komponentenbedarf zu definieren.

Bereit zum Abheben oder schon mitten im Flug?

Als die Task Force ihre Arbeit aufnahm, gab es noch nicht viele Ethernet-APL-Geräte auf dem Markt und die Skepsis war noch groß. Als der NAMUR-Vorstand also das Ziel von zehn Ethernet-APL-bezogenen Projekten der Mitgliedsfirmen der Task Force innerhalb von zwei Jahren formulierte, schien dies damals recht ehrgeizig - war Ethernet-APL überhaupt schon startklar?

Doch in den vergangenen knapp zwei Jahren ist viel passiert. In einem ersten Schritt initiierte und unterstützte die Task Force 2023 gemeinsam mit dem atp magazin und dem ZVEI eine detaillierte und öffentlich zugängliche Umfrage zur Verfügbarkeit von Ethernet-APL-Geräten, um mehr Transparenz für die Endanwender zu schaffen. Die Ergebnisse spiegeln den ersten prägnanten und detaillierten Überblick über verfügbare Ethernet-APL-Feldgeräte, Infrastrukturkomponenten sowie die Unterstützung von verteilten Leitsystemen und Asset Management Systemen für den Technologiestack wider. Die Umfrage war so erfolgreich, dass sie bereits für die ACHEMA im Jahr 2024 wiederholt und aktualisiert wurde. Wer die Ergebnisse noch nicht kennt, kann sie über das atp magazin kostenlos herunterladen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gesamte Palette an Komponenten bereits auf dem Markt verfügbar ist, wenn auch vielleicht nicht von Ihrem bevorzugten Anbieter, und dass in den nächsten ein bis drei Jahren noch viele weitere hinzukommen werden.

Betrachtet man die gezielte Anzahl von Ethernet-APL-Projekten, so kann man definitiv feststellen, dass Ethernet-APL eine unerwartete Dynamik und Zugkraft bekommen hat. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Ethernet-APL-bezogenen Projekte innerhalb der NAMUR APL Task Force. Und statt der damals sehr ehrgeizigen zehn Projekte sind wir sehr froh, bereits 26 Projekte in unserer Tracking-Liste zu haben. Zu diesen Projekten gehört natürlich eine beträchtliche Anzahl von Laborinstallationen zum Testen und Lernen. Aber was noch wichtiger ist, es wurden auch zwölf Projekte in Produktionsgröße identifiziert, von denen drei bereits in der Umsetzung sind.

Wichtig ist auch zu erwähnen, dass die Zahl der Pilotinstallationen relativ gering ist (vier Projekte) - es scheint also, dass die Endnutzer innerhalb der Task Force die

Pilotphase überspringen und nach zufriedenstellenden Erfahrungen in ihren Laborumgebungen direkt in den Produktionsmaßstab übergehen. Wenn man sich ansieht, welcher Partner wie viele Projekte beigesteuert hat, kann man deutlich erkennen, dass alle Task Force-Partner die Technologie bereits aktiv einführen.

Abbildung 2 zeigt den Zeitplan für die laufende Einführung ("in Realisierung" in Abbildung 1) von Ethernet-APL-Installationen im Pilot- und Produktionsmaßstab. Anfang nächsten Jahres wird die erste Pilotanlage in Betrieb genommen, vier weitere, größere Anlagen werden gegen Ende 2025/Anfang 2026 betriebsbereit sein. Daraus können wir schließen, dass Ethernet-APL noch nicht startklar ist und der Start noch nicht stattgefunden hat - wir befinden uns bereits mitten im Flug auf unserer Ethernet-APL-Rollout-Reise!

Laufender Rollout von Ethernet-APL.

Aufgabe erfüllt, volle Kraft voraus!

Im Rückblick auf die vergangenen zwei spannenden Jahre hat Ethernet-APL deutlich an Fahrt gewonnen. Mit der diesjährigen NAMUR-Vollversammlung und dem Jahresende werden die Aktivitäten der Task Force zu Ende gehen. Natürlich haben wir unser Ziel noch nicht erreicht (z.B. eine vollständig digitale, einfach zu integrierende Prozessautomatisierung), aber wir sehen uns als Gemeinschaft auf einem guten Weg - wir sind mitten im Flug! Während die technischen Fragen für die Kernautomatisierung größtenteils beantwortet sind, bleibt noch einiges zu tun, wenn es um die nächste Generation von Geräten sowie um Sicherheits- und Schutzaspekte geht. Diese Aspekte werden in den jeweiligen NAMUR-Arbeitsgruppen weiterverfolgt. Auch der enge Kontakt zur Herstellerseite wird natürlich fortgesetzt. Aus Sicht der Task Force ist unsere Aufgabe jedoch erfüllt: die Entwicklung und Umsetzung einer ganzheitlichen, Community-getriebenen Strategie für die Einführung von Ethernet-APL.

Nichtsdestotrotz planen wir, unsere Community-Bemühungen fortzusetzen. Und dies nicht nur innerhalb der Arbeitsgruppen, sondern auch mit einer offeneren Strategie, bei der interessierte Endanwender mit den entsprechenden Experten in Kontakt treten können, die gerne ihre Erkenntnisse, ihr Wissen und ihre Erfahrung weitergeben - bleiben Sie dran für die offizielle Ankündigung dieser Aktivität.

Abschließend möchten wir uns bei allen beteiligten Endanwendern und NAMUR-Kollegen, aber auch bei den Anbietern sowie bei atp und anderen Zeitschriften für die vertrauensvolle Zusammenarbeit bedanken. Wir sind überzeugt, dass die NAMUR APL Task Force als Vorbild für weitere Aktivitäten innerhalb unserer Gemeinschaft dienen kann!

Dr.-Ing. Emanuel Trunzer

Leiter Automatisierungstechnik
BASF SE
emanuel.trunzer@basf.com

Maria C. Molina Cintas

Leiterin DOC Hardware
Dow Inc.
mmolina@dow.com