De belangrijkste ontwikkelingen binnen industriële netwerkcommunicatie nader geduid

Tijdens het Industrial Ethernet event op donderdag 24 maart komen tal van ontwikkelingen in de industriële netwerkcommunicatie aan de orde. Wij spraken vooruitblikkend alvast met een aantal sprekers tijdens het event over Ethernet-APL, TSN en MQTT.

Door: Dimitri Reijerman

Een vooraanstaande ontwikkeling binnen Industrial Ethernet is Ethernet Advanced Physical Layer, ofwel Ethernet-APL. Tijdens het Industrial Ethernet event op 24 maart gaan Alexander Gilles van Pepperl + Fuchs en Jaap Westeneng van Endress + Hauser dieper in op deze nieuwe standaard, maar FHI sprak de heren alvast.

Volgens Westeneng is een van de voordelen van Ethernet-APL de langere kabellengtes: “In vergelijking met standaard- en/of Industrieel Ethernet biedt Ethernet-APL zeker het voordeel van langere kabellengtes. Ethernet, zoals we dat vandaag de dag kennen gebruiken, is beperkt tot een maximale kabellengte van 100 meter en met Ethernet-APL kan een stamkabellengte (trunk) van 1000 meter worden toegepast en zijn aftakkabellengtes (spur) van 200 meter toegestaan. In het bijzonder voor industriële toepassingen is de standaard Ethernet kabellengte vaak ontoereikend en biedt Ethernet-APL een vergelijkbaar bereik met de bustechnologie voor de procesautomatisering, zoals  PROFIBUS PA.”

Maar er zijn meer voordelen, zo vervolgt Westeneng: “Je zou Ethernet-APL kunnen samenvatten als de 2-draads datasnelweg voor eindeloze mogelijkheden; smart, snel en digitaal. Ethernet-APL kenmerkt zich in het bijzonder door communicatie en voeding over tweedraads kabel (Type A), het is polariteitsongevoelig en kan eenvoudig op standaard schroef- of veerklemmen worden aangesloten. Ethernet-APL is geschikt voor toepassing in explosiegevaarlijke omgevingen op basis van de 2-WISE standaard (IEC TS 60079-47, 2021-03 ). Verder ondersteunt Ethernet-APL alle gestandaardiseerde industriële Ethernet protocollen, zoals. PROFINET, Modbus TCP, EtherNet/IP en HART-IP.”

Wellicht opvallend is dat APL snelheden tot maximaal 10Mbit/s ondersteunt. “Kijkend na de hedendaagse Ethernetsnelheden tot maximaal 10 Gbit/s lijkt Ethernet-APL met 10 Mbit/s inderdaad niet snel”, zegt Westeneng. “Echter is de snelheid niet alleen afhankelijk van de absolute transmissiesnelheid maar ook van hoeveelheid data die verstuurd dient te worden en de te overbruggen afstand. Snelheid is relatief - zeker als we deze vergelijken met de de facto communicatie standaard voor de (proces)industrie: HART communicatie. HART biedt een snelheid van 1,2 kbit/s (half duplex) en in vergelijking met Ethernet-APL die 10 Mbit/s (full duplex) biedt is Ethernet-APL 8000 keer sneller en ook 300 keer sneller dan bestaande buscommunicatietechnologieën. Voor industriële toepassingen biedt Ethernet-APL lange afstanden tot 1000 m en dat zou niet mogelijk zijn geweest met hogere transmisse snelheden.”

APL heeft ook een aantal fysieke beveiligingen: “APL is een nieuwe fysieke laag en is gestandaardiseerd in IEEE 802.3cg met 10Mbit/s (10BASE-T1L) full duplex communicatie en op basis van IEC TS 60079-42 (2WISE) geschikt voor tweedraads intrinsieke veilige toepassingen en is polariteitsongevoelig waarmee installatie fouten niet tot onverwachte problemen zullen leiden. Daarnaast zijn voor APL verschillende zogenaamde ‘port profiles’ gedefinieerd voor verschillende voedingsconcepten. Om de interoperabiliteit te waarborgen worden ‘conformance tests’ uitgevoerd en zijn voor de gebruikers installatie en engineering richtlijnen beschikbaar.”

Inmiddels is APL volgens Westeneng aan een gestage opmars bezig in de industrie, zeker nu er steeds meer producten beschikbaar komen, zegt Westeneng: “De eerste Ethernet-APL producten zijn al beschikbaar – bijvoorbeeld de APL Field Switch van Pepperl+Fuchs is reeds beschikbaar en Endress+Hauser zal medio 2022 de eerste Ethernet-APL instrument met PROFINET introduceren; magnetische- en vortex flow, radar niveau, druk en temperatuur. Daarnaast zullen ook APL instrument softwareconfiguratietools beschikbaar komen op basis van FDI (Field Device Integration) en zal connectiviteit worden geboden met cloud based ecosystemen.”

Richting de toekomst verwacht Westeneng dat Ethernet-APL een steeds grotere rol zal gaan spelen: “Voor de (nabije) toekomst zullen de instrumenten en apparaten steeds meer in staat zijn om hun bron data via verschillende kanalen beschikbaar te stellen op basis van gestandaardiseerde services (b.v. REST API, MQTT, OPC UA). De NAMUR Open Architecture (NOA) biedt hiervoor het zogenaamde ‘2nd Channel’ concept waarmee op een open en veilige wijze data ontsloten kan worden naar cloud based ecosystemen. Ethernet-APL biedt de noodzakelijke fundering voor deze ontwikkelingen.”

“Een ander belangrijke ontwikkeling voor Ethernet-APL is dat deze geschikt wordt voor veiligheidstoepassingen (SIL). Deze ontwikkeling zal in het bijzonder worden bepaald door de keuze van de communicatietechnologie. PROFINET biedt ProfiSafe aan op basis van gestandaardiseerde profielen. De verwachting is dat ProfiSafe ook beschikbaar gaat komen voor Ethernet-APL instrumenten en apparaten.”

TSN

TSN, ofwel Time-Sensitive Networking, is ook een belangrijke ontwikkeling binnen de verdere digitalisering van de procesindustrie. Deze specificatie, die ook weer de nodige substandaarden bevat, wordt ontwikkeld door de IEEE 802.1-werkgroep.

Nico Hanemaayer van ATS, legt uit waarom TSN zo belangrijk is voor de (proces)industrie: “TSN is in het leven geroepen omdat er geen hard-real-time functionaliteit in het normale ethernetprotocol aanwezig is. Ethernet is geschikt voor soft-real-time toepassingen. Dit wil zeggen dat er een spreiding - jitter - kan zitten in het aankomen van de berichten. Daarnaast praten we veelal over cyclustijden van rond de 10ms en hoger. TSN is bedoeld voor hard-real-time en daarmee komen motion control en closed loop system ook binnen het bereik van ethernet te liggen. Ook de gewenste structuur zoals die gevraagd wordt bij Industrie 4.0, zal mogelijk worden door TSN. Controllers kunnen virtueel zijn en hoeven niet noodzakelijk dicht bij de aan te sturen devices te worden gepositioneerd. Fysiek kunnen ze elders in het bedrijf zijn opgesteld, in een local cloud.”

Toch zal het nog enige tijd duren voordat TSN breed in de procesindustrie zal worden toegepast. Dat komt volgens Hanemaayer doordat het om een vrij jonge set van standaarden gaat: “. De oorzaak hiervan ligt aan het feit dat er nog niet veel devices zijn die TSN geïntegreerd hebben. Cisco en B&R hebben apparatuur die het ondersteunen. Ik denk dat het wachten is totdat het in vele producten is geëngineerd. Dan zal het een grote vlucht gaan nemen.”

Verder naar de toekomst kijkende denkt Hanemaayer dat er rondom TSN nog interessante integraties mogelijk zijn. “TSN zal het mogelijk gaan maken dat ook op field level OPC Unified Architecture (OPC UA) toegepast kan gaan worden. Dit zal de uniformiteit ten goede komen. Uiteindelijk zal alles OPC UA gaan praten en raken we steeds meer van de wirwar aan verschillende protocollen af. Dit is voorlopig echter nog wel toekomstmuziek.”

Tijdens zijn lezing op 24 maart tijdens het Industrial Ethernet wil Hanemaayer met name de potentie van TSN benadrukken. Zo is de standaard in zijn ogen uniform – omdat het diverse bestaande protocollen zal vervangen – en goedkoop als er voldoende schaalvoordeel is ontstaan. Daarnaast wijst hij nog op de schaalbaarheid van de technologie en het gemakkelijker geven van trainingen, omdat er immers slechts een standaard is.

MQTT

Met de opkomst van het Industrial Internet of Things speelt ook het MQTT-protocol, bedoeld om berichten tussen apparaten uit te wisselen, een voorname rol. Diederick Nab van WAGO NL zal een seminar verzorgen waarin hij inzicht zal geven welke rol MQTT speelt in de industrie.

“MQTT is het meest toegepaste IoT-communicatieprotocol”, zegt Nab. “Dit houdt onder andere in dat het zowel in het IT- als OT domein wordt gebruikt als communicatieprotocol. Wat MQTT zo sterk maakt is dat het bericht weinig overhead heeft en gebruik maakt van het Pub/Sub-model. Dit zorgt voor een hele efficiënte manier van communiceren.”

Daarbij noemt Nab de vele voordelen van het toepassen van MQTT. Zo is het makkelijk te implementeren doordat het een eenvoudig protocol is. Dankzij verschillende niveaus van Quality Of Service ontstaat er ook datazekerheid.  Verder vereist het efficiënte MQTT slechts een lage bandbreedte en is het onafhankelijk van device en interface. Tenslotte is het protocol statusbehoudend, dat wil zeggen dat de verbinding actief blijft in tegenstelling tot sommige andere protocollen. Tenslotte is MQTT, zoals gezegd, toepasbaar in zowel het IT- als OT-domein.

Communicatie via MQTT is bovendien goed te beveiligen, stelt Nab: “Je kunt het protocol beveiligen op drie verschillende niveaus. Op netwerkniveau met behulp van bijvoorbeeld een VPN en firewalls, op transportniveau met behulp TLS/SSL en op applicatieniveau met behulp van gebruikersnaam en wachtwoord. Een combinatie van deze mogelijkheden is altijd het sterkst.”

Of het MQTT-protocol in de toekomst verder uitgebreid zal worden, durft Nab niet te zeggen, “maar gezien de groei in IIOT zal het protocol steeds belangrijker worden.” Hij zal dan ook namens WAGO de bezoekers van zijn seminar willen meegeven wat de (praktijk)mogelijkheden zijn van MQTT en wanneer het mogelijkheden biedt ten opzichte van andere protocollen.

Wilt u deze lezingen kosteloos bijwonen? Schrijf u nu in!