Definition Was ist Ethernet-APL?

Ethernet-APL definiert eine physikalische Schicht für die Ethernet-basierte Kommunikation. Für Protokolle übergeordneter Schichten ist die APL-Schicht transparent. APL ist speziell für die Anforderungen der Industrieautomation und Prozessindustrie konzipiert. Über APL lassen sich 10Mbps-Ethernet-Verbindungen mit zweiadrigen Kabeln über Entfernungen bis 1.000 Meter realisieren. Die Verbindungen sind für den Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen geeignet.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
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(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Ausgeschrieben bedeutet Ethernet-APL "Ethernet Advanced Physical Layer". Es handelt sich um einen speziell für die Anforderungen der Industrieautomation und Prozessindustrie entworfenen physikalischen Layer für die Ethernet-basierte Kommunikation. Für Protokolle höherer Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells ist der Advanced Physical Layer nur einer unter weiteren physikalischen Ethernet-Layern, der sich transparent verwenden lässt. Er stellt eine alternative physikalische Schicht zu den 4-Draht-, 8-Draht- oder Glasfaser-Ethernet-Layern des Fast Ethernets oder Gigabit Ethernets und zu drahtlosen Layern wie Wi-Fi zur Verfügung.

Ethernet-Verbindungen sind mit APL über zweiadrige Kabel mit Geschwindigkeiten von 10 Mbps über Entfernungen von bis zu 1.000 Meter realisierbar. Über die Zweidrahtleitung ist parallel die elektrische Energieversorgung möglich. Ethernet-APL erfüllt die Anforderungen für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen.

Der Ethernet Advanced Physical Layer ermöglicht eine konsistente Ethernet-basierte Kommunikation in der Industrieautomation und Prozessindustrie. Die technische Grundlage für Ethernet-APL bildet der 2020 final veröffentlichte Standard IEEE 802.3cg. Der Standard ist einer der so genannten Single-Pair-Ethernet-Standards (SPE-Standards) und spezifiziert die 10Base-T1-Ethernet-Schnittstelle. Parallel zu IEEE 802.3cg ist Ethernet-APL kompatibel mit speziell erarbeiteten Explosionsschutzmethoden und Portprofilen.

Die Bedeutung des IEEE-Standards 802.3cg und des Projektteams IEC PT 60079-47 für Ethernet-APL

Ethernet-APL wird von zahlreichen Organisationen und Standardisierungsgremien wie NAMUR Open Architecture, Profibus und Profinet International (PI), ODVA, OPC Foundation, IEEE oder IEC unterstützt und vorangetrieben. Von zentraler Bedeutung für den Ethernet Advanced Physical Layer sind der Standard IEEE 802.3cg und das Projektteam IEC PT 60079-47.

Der Anfang 2020 verabschiedete Standard IEEE 802.3cg spezifiziert die 10Base-T1-Ethernet-Schnittstelle für die 10Mbps-Kommunikation über Zweidrahtkupferleitungen und Entfernungen von bis zu 1.000 Meter. Es handelt sich um einen von mehreren Single-Pair-Ethernet-Standards (SPE-Standards). Weitere SPE-Standards sind 802.3bp (1000Base-T1), 802.3bw (100Base-T1) oder 802.3ch (Multi-Gig Automotive Ethernet).

10Base-T1 erlaubt durch den Einsatz der Echokompensation die gleichzeitige Übertragung von Signalen in gegensätzliche Richtungen und damit den Vollduplex-Betrieb. Die klassischen Merkmale des Ethernets wie Frame-Formate und Frame-Längen sowie die Möglichkeit der transparenten Nutzung Protokolle höherer Ebenen bleiben unverändert.

Parallel zu IEEE 802.3cg werden im Projektteam IEC PT 60079-47 des technischen Komitees IEC SC 31G die technischen Spezifikationen für den sicheren Einsatz der Ethernet-Zwei-Draht-Leitungen in explosionsgeschützten Bereichen erarbeitet.

Technische Merkmale des Ethernet Advanced Physical Layers

Im ISO/OSI-Schichtenmodell definiert der Ethernet Advanced Physical Layer den physischen Layer 1 einer Ethernet-Verbindung. Ethernet APL ist vollständig kompatibel mit dem Ethernet-Standard IEEE 802.3. Alle Protokolle höherer Ebenen wie beispielsweise die Protokolle der TCP/IP-Welt funktionieren gemäß dem Schichtenmodell unabhängig vom verwendeten phyiskalischen Layer. Die Übertragung der Daten erfolgt vollduplex auf einem zweiadrigen Kupferkabel mit einer Datenübertragungsrate von 10 Mbps. Die Daten sind 4B3T kodiert und dreistufig pulsamplitudenmoduliert (PAM-3).

Zwischen Feldswitches lassen sich mit einem Trunk-Kabel Entfernungen bis zu 1.000 Meter überbrücken. Die maximale Entfernung zwischen einem Feldswitch und einem Feldgerät (Spur-Verbindung) beträgt 200 Meter. Ebenfalls unterstützt wird die Energieversorgung der Geräte über die Zweidrahtverbindung. Verschiedene Leistungsklassen definieren die Energieversorgung über die Ethernet-Verbindung und begrenzen die maximale Spannung und den maximalen Strom zur eigensicheren Energieversorgung. Die Ein- und Ausgänge der Switches sind mit speziellen elektronischen Schaltungen für die Eigensicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen ausgestattet.

Kurz zusammengefasst sind die technische Merkmale des Ethernet Advanced Physical Layers folgende:

  • Nutzung der in IEEE 802.3cg spezifiziert 10Base-T1-Ethernet-Schnittstelle und zweiadriger Kupferleitungen
  • Trunk-Verbindungen bis 1.000 Meter
  • Spur-Verbindungen bis 200 Meter
  • Energieversorgung von Feldgeräten mit bis zu 60 Watt
  • Datenübertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s
  • Vollduplex-Verbindung über ein einziges Adernpaar
  • Eigensicherheit für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen
  • Pulsamplitudenmodulation (PAM-3)
  • 4B3T-Kodierung

Ethernet-APL als eine technische Basis für die Kommunikation in der Industrie 4.0

Ethernet-APL stellt eine technische Basis für die Kommunikation in der Industrie 4.0 zur Verfügung. Der Advanced Physical Layer ist konform zu den international geltenden Explosionsschutzkonzepten und bringt gleichzeitig das weit verbreitete Ethernet als Kommunikationsinfrastruktur in die Industrieautomation und Prozessindustrie. Die Digitalisierung der Prozessautomation profitiert von der Zuverlässigkeit, Einfachheit und Standardisierung des Ethernets. Die Kommunikationsprotokolle höherer Schichten wie die Protokolle des TCP/IP-Protokollstacks lassen sich auf dem Advanced Physical Layer einsetzen. Dies sorgt für eine einheitliche Kommunikationsinfrastruktur auf allen Unternehmens- und Feldebenen. Die Konvergenz der operativen Technologie (OT) und der Informationstechnologie (IT) wird gefördert. Bisher verwendete proprietäre Lösungen lassen sich durch Systeme basierend auf offenen Standards ersetzen.

Vorteile durch den Einsatz von Ethernet-APL

Vorteile durch den Einsatz von Ethernet-APL sind:

  • Nutzung einfacher Zweidraht-Leitungen für Ethernet-Verbindungen
  • einheitliche Ethernet-Infrastruktur
  • Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen möglich
  • transparente Nutzung der Kommunikationsprotokolle höherer Schichten
  • einheitliche Kommunikation auf Unternehmens- und Feldebene
  • umfangreiche IP-Vernetzungsmöglichkeiten auch über das Internet
  • Interoperabilität der Geräte verschiedener Hersteller
  • hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s
  • große Entfernungen überbrückbar
  • Erfassung und Analyse zahlreicher Zusatzdaten möglich - neue Lösungen wie Predictive Maintenance zur Steigerung der Verfügbarkeit realisierbar
  • kostengünstige Anlagenmodernisierung dank Nutzung vorhandener Infrastrukturen und Protokolle

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