Einsatz von Profibus-PA im explosionsgefährdeten Bereich

Abb. 1 Zusammenschaltung eines Profibus-PA-Segments

Abb. 2 Engineering-Vergleich mit und ohne FISCO (SK = Segmentkoppler, B = Barriere, PS = Netzteil, MUS = Meßumformerspeisegerät, T = Busabschluß)

Abb. 3 Cerabar S mit Profibus-PA-Schnittstelle im Einsatz

Kabellängenrestriktion je nach Ex-Klassifizierung

Erfolgt die Automatisierung von Chemieanlagen über Feldbus, so muß dieser im Ex-Bereich eigensicher ausgeführt sein. Das Fieldbus Intrinsically Safe Concept (FISCO-Modell) vereinfacht den Nachweis der Eigensicherheit. Das führt zu erhöhter Betriebssicherheit und reduzierten Kosten.

Profibus nutzt für die Automatisierung verfahrenstechnischer Prozesse das um azyklische Dienste erweiterte Profibus-DP-Protokoll. Da 80% der Zwei-Leiter-Geräte wie Druck- und Temperaturtransmitter neben der Kommunikation auch die Spannungsversorgung über den Feldbus benötigen, war es notwendig, eine neue physikalische Ebene zu implementieren. Profibus-PA bedient sich hier des Physical Layers nach IEC1158-2, der speziell für den Prozeßbereich entwickelt wurde. Eine weitere Anforderung an einen Feldbus in der Prozeßtechnik ist die eigensichere Ausführung im Ex-Bereich. Nach IEC1158-2 ist zwar der eigensichere Einsatz definiert, jedoch gibt es noch zu viele Einschränkungen wie die begrenzte Anzahl der anschließbaren Geräte, große sicherheitstechnische Lücken oder ein zu hoher Engineeringaufwand. Um den Kundenanforderungen gerecht zu werden, nahmen einige Mitgliedsfirmen der Profibus-Nutzerorganisation zusammen mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB Untersuchungen für den Feldbuseinsatz im eigensicheren Bereich vor. Diese wurden dann in das Fieldbus Intrinsically Safe Concept (FISCO-Modell) umgesetzt. Durch klar definierte Randbedingungen ist es hiermit möglich, auf Berechnungen eigensicherer Netzwerke zu verzichten, was den Nachweis der Eigensicherheit deutlich vereinfacht.

In einem Profibus-PA-Netzwerk gibt es vier Komponenten, die für die Sicherheit im explosionsgeschützten Bereich von Bedeutung sind (Abb. 1):

? Segmentkoppler,

? Kabel (spezifiziert nach IEC1158-2),

? Feldgeräte (Aktoren und Sensoren mit Profibus-PA-Schnittstelle) und

? Busabschluß.

Der Segmentkoppler, die Feldgeräte und der Busabschluß benötigen eine Ex-Zulassung. Da aufgrund der Vielzahl der Komponenten eine eigensichere Berechnung und Auslegung sehr kompliziert wäre, werden diese Komponenten nach FISCO zertifiziert. Das bedeutet, daß jede Komponente bestimmte Voraussetzungen hinsichtlich Spannung, Strom, Leistung, Induktivität und Kapazität erfüllen muß.

Ein nach FISCO zertifiziertes Profibus-PA-Gerät darf zum Beispiel lediglich eine wirksame innere Kapazität Ci #5 nF und eine wirksame innere Induktivität Li #10 µH aufweisen. Für das Kabel wurde im FISCO-Modell eine Kabellängenrestriktion je nach Ex-Klassifizierung vorgenommen (siehe Tabelle). Weiterhin gelten für den Einsatz im Ex-Bereich folgende Regeln:

? nur ein Segmentkoppler darf eine maximal definierte Leistung in das Netz speisen,

? jedes Feldgerät muß sich an der Busschnittstelle passiv verhalten, das bedeutet es darf keine Energie in das System einspeisen,

? lokal gespeiste Feldgeräte müssen eine galvanische Trennung besitzen,

? Stichleitungen bis maximal 30 m sind möglich, müssen aber in die Gesamtkabellänge einberechnet werden,

? Netzwerke mit Zündschutzart Ex ia und Ex ib müssen separat geführt werden.

Werden für das Netzwerk die nach FISCO zugelassenen Geräte eingesetzt und die obigen Regeln eingehalten, dann ist das gesamte Netzwerk in sich eigensicher, ohne daß eine Eigensicherheitsberechnung durchgeführt werden muß. Damit das Feldgerät bei Fehlfunktionen nicht den Bus blockiert, wird der maximal aufzunehmende Strom durch die sogenannte Fault Disconnection Eletronics (FDE) begrenzt. Zusätzlich ist eine Verpolungssicherheit der beiden Adern gewährleistet.

Aus dem FISCO-Modell ergeben sich eine Reihe von Vorteilen und Nutzen für die Anwender bei Engineering, Installation und Wartung. Das Engineering wird für den Planer von Profibus-PA-Netzwerken deutlich einfacher. Im Vergleich zu herkömmlicher 4…20 mA-Technik (auch mit Remote I/O) und zu anderen Feldbussen mit IEC1158-2-Physik lassen sich durch den geringeren Engineeringaufwand auch Kosteneinsparungen erzielen. Abbildung 2 zeigt den Vergleich der drei Systeme.

Für alle Systeme ist ein Nachweis der Eigensicherheit zu erbringen. Der Aufwand bei konventioneller 4…20 mA-Technik ist dabei sehr hoch. Der Nachweis ist hier für jeden Meßkreis separat zu erstellen.

Bei anderen Feldbussen nach IEC1158-2 ist der Nachweis der Eigensicherheit für das gesamte Netzwerk (max. 4 Feldgeräte) zu erbringen. Da für das Kabel und die Komponenten keine Werte vorgegeben sind, sind die Barriere für das Netzwerk sowie ein Busabschluß und ein Speisegerät zu berechnen. Die Eigensicherheitsberechnung ist für jeden Parameter durchzuführen. Zusätzlich sind die zugelassenen U-, I- und P-Werte der Geräte mit den maximal einspeisenden U-, I- und P-Werten der Barriere zu überprüfen. Bei Profibus-PA nach dem FISCO-Modell ist der Nachweis ebenfalls für das gesamte Netzwerk (max. 10 Feldgeräte bei Ex ia und 20 Feldgeräte bei Ex ib) zu erbringen. Da die Komponenten nach FISCO zugelassen sind, ist hier jedoch keine Eigensicherheitsberechnung notwendig.

Ein weiterer Vorteil für den Einsatz von Profibus-PA im Ex-Bereich ist der geringe Platzbedarf. Da sich maximal 10 Geräte an einem Segment anschließen lassen ist auch der Verdrahtungsaufwand geringer. Die Installation der Feldgeräte unter Berücksichtigung des Fieldbus Intrinsically Safe Concept erfolgt ohne Überprüfung. Der Anschluß eines falschen Gerätes am falschen Segment hat keine Auswirkung auf die Betriebssicherheit. Ist die maximale Anzahl an Geräten am Bus erreicht und der zur Verfügung gestellte Strom des Segmentkopplers ausgereizt, wird ein zusätzlich angeschlossenes Gerät nicht mehr ausreichend mit Energie versorgt und arbeitet und kommuniziert infolgedessen nicht. Für die Wartung lassen sich die Geräte vom Bus abkoppeln und reparieren oder durch neue ersetzen. Das Austauschgerät kann auch ein Gerät eines anderen Herstellers sein, wenn es ebenfalls nach FISCO zertifiziert ist. Das FISCO-Modell mit Profibus für die Verfahrenstechnik wurde weltweit in rund 300 Anlagen mit 35 000 Geräten eingesetzt. Unter anderem nützen heute Unternehmen wie Bayer, DEA, Wacker Chemie oder DSM Profibus-PA.

Weitere Informationen cav-233

? Uo #Ui (eines jeden Gerätes),

? Io #Ii (eines jeden Gerätes),

? Po # Pi (eines jeden Gerätes),

? Ci #5 nF (eines jeden Gerätes),

? Li #10 µH (eines jeden Gerätes),

? galvanische Trennung bei lokal gespeisten Geräten,

? nur zwei zugelassene Abschlußwiderstände am Bus,

? Leckstrom #50 mA,

? Erdung des Systems.

Frank Thorn