Development of an intrinsically safe multichannel ethernet-advanced physical layer field device for temperature monitoring in Zone 0

This thesis investigates the design and development of a multichannel Ethernet-Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) field device for temperature sensing, motivated by the limited availability of commercially available solutions. Ethernet-APL extends the ca- pabilities of standard Ethernet into process automation environments, providing higher bandwidth, enhanced diagnostics, and support for intrinsically safe designs—features par- ticularly relevant to temperature measurement in process industries. The project, assigned by GM International and carried out as part of a Master’s pro- gram at Politecnico di Milano, focused on developing a prototype supporting up to four thermocouples and two RTDs or thermistors. The design incorporated dedicated power regulation, current limiting, and intrinsic safety features to comply with Ethernet-APL engineering guidelines and IEC 60079-11 (Explosive atmospheres – Equipment protection by intrinsic safety “i”). Validation was performed through circuit simulations and hardware testing of the man- ufactured printed circuit board (PCB). The results confirmed the correct operation of key functional blocks, including power regulation, current limiting, and sensor interfaces. A thermal analysis confirmed compliance with T4 intrinsic safety, while communication tests verified accurate linear transmission of temperature data. The outcomes establish the prototype as a proof of concept, demonstrating the feasibility of an intrinsically safe, multichannel Ethernet-APL temperature transmitter for hazardous-area applications. In doing so, the thesis provides GM International with its first concrete design study in Ethernet-APL technology. Future work will address full multichannel validation (4×TC + 2×RTD/thermistor), comprehensive firmware development with regression testing, optimization of multiplexing for consistent RTD readings, long-duration reliability and EMC testing, and formal certification—intrinsic safety per IEC 60079-11 (IECEx/ATEX) and PROFINET conformance—to enable industrial deployment.

Questa tesi analizza la progettazione e lo sviluppo di un dispositivo da campo multicanale basato su Ethernet-Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) per la misura di temperatura, motivata dalla scarsa disponibilità di soluzioni commerciali. Ethernet-APL estende l’Ethernet standard all’automazione di processo, offrendo maggiore banda, diagnostica avanzata e supporto a progetti a sicurezza intrinseca, caratteristiche particolarmente rilevanti per la misura di temperatura nelle industrie di processo. Il progetto, commissionato da GM International e svolto nell’ambito di una Laurea Magistrale al Politecnico di Milano, ha riguardato lo sviluppo di un prototipo capace di supportare fino a quattro termocoppie e due RTD o termistori. La progettazione ha integrato regolazione della potenza, limitazione di corrente e funzioni di sicurezza intrinseca, in conformità alle linee guida Ethernet-APL e alla norma IEC 60079-11 (Atmosfere esplosive – Protezione mediante sicurezza intrinseca “i”). La validazione è stata condotta tramite simulazioni circuitali e test hardware sulla scheda a circuiti stampati (PCB). I risultati hanno confermato il corretto funzionamento dei blocchi principali, inclusi regolazione della potenza, limitazione di corrente e interfacce sensore. Un’analisi termica ha verificato la conformità alla classificazione T4, mentre i test di comunicazione hanno dimostrato la trasmissione accurata e lineare dei dati di temperatura. Il prototipo si qualifica come proof of concept, dimostrando la fattibilità di un trasmettitore di temperatura multicanale a sicurezza intrinseca basato su Ethernet-APL, per applicazioni in aree a rischio. La tesi rappresenta per GM International il primo studio concreto su questa tecnologia. Gli sviluppi futuri includono la validazione completa multicanale (4×TC + 2×RTD/termistore), lo sviluppo firmware con test di regressione, l’ottimizzazione del multiplexing, prove di affidabilità a lungo termine e di compatibilità elettromagnetica (EMC), oltre alla certificazione formale—sicurezza intrinseca secondo IEC 60079-11 (IECEx/ATEX) e conformità PROFINET—per l’impiego industriale.