Eigensichere Feldbuslösungen

Thomas Westers

Seit Jahren arbeitet die IEC an einer einheitlichen Feldbusstandardisierung für die Prozessautomation, um dem Anwender eine herstellerübergreifende Produktauswahl und dem Hersteller einen breiten Markt zu sichern. Gemäß Definition der IEC füllt ein solches Feldbussystem die Schichten 1, 2 und 7 des ISO/OSI-Referenzmodells aus. In der Schicht 1 (Physical Layer) gemäß IEC 61158-2 sind Datenübertragung, Datenübertragungsrate, Busspeisung, Kabeltypen, Kabellängen und die Möglichkeiten der Zusammenschaltung verschiedener Feldgeräte auf dem Bus definiert.

Die IEC 61158-2-Übertragungstechnik unterstützt sowohl die Busspeisung als auch die Zündschutzart Eigensicherheit i mit einer Übertragungsrate von 31,25 kbit/s. Mittels Segmentkopplern wird eine Kopplung bzw. Verbindung von dem eigensicheren H1-Bus zum übergeordneten H2-Bus geschaffen.

Beim Profibus verbindet der Segmentkoppler die mit einer Übertragungsrate von 31,25 kbit/s am Profibus-PA (H1-Bus) angeschlossenen Feldgeräte über den mit einer Übertragungsrate von bis zu 12 Mbit/s arbeitenden Profibus-DP (H2-Bus) mit dem Automatisierungsgerät. Die Segmentkoppler speisen die H1-Bussegmente im Ex-Bereich und nehmen eine Ex-Trennung vor. Außer der erwähnten Baudratenwandlung erfolgt eine Protokollumsetzung von synchroner Manchaster-Kodierung auf der IEC 61158-2-Seite in asynchrone NRZ-Kodierung auf RS485-Seite.

Der Segmentkoppler SK2 von Pepperl & Fuchs ist modular aufgebaut und besteht in seiner maximalen Ausbaustufe aus einer Kopfstation KLD2-GT-DP4.PA und maximal 20 Power-Link-Modulen KLD2-PL-EX1.PA (Abb. 1). Die Kopfstation beinhaltet bis zu vier unabhängige, parallel arbeitende Profibus-PA-Master. Jedes Power-Link-Modul eröffnet ein eigensicheres Profibus-PA-Segment, an dieses wiederum können bis maximal zehn eigensichere Feldgeräte mit einer Leitungslänge von bis zu 860 m angeschlossen werden. Der Segmentkoppler ist nicht an bestimmte Automatisierungs- und Prozessleitsysteme gebunden und muss dort auch nicht projektiert werden. Ebenso muss er nicht adressiert oder parametriert werden. Über einen Segmentkoppler lassen sich bis zu 125 Profibus-PA-Feldgeräte speisen und dessen Daten und Parameter übertragen. Der Segmentkoppler arbeitet absolut transparent, ohne eine Adresse am Profibus zu belegen. Er beschränkt dadurch auch nicht das übertragbare E/A-Datenvolumen auf dem Profibus. Dies hat den Vorteil, dass die übergeordnete Steuerung direkt auf die Daten der Feldgeräte des Profibus-PA-Segments zugreift. Kopfstation und Power-Link-Module sind für die Montage in Zone 2 verfügbar. Darüber hinaus bietet die Kopfstation optional einen redundanten Anschluss für die Profibus-DP-Übertragungsleitung. Durch den modularen Segmentkoppler erhält der Anwender eine große Flexibilität. Verteilt man die Feldgeräte auf die vier Profibus-PA-Master, verringert sich das zu übertragende Datenvolumen. Die Zykluszeit verringert sich ebenfalls und die Applikation wird schneller. Auch ist es möglich, Prioritäten auf die verschiedenen PA-Segmente zu verteilen. Wird für Prozessdaten eine kurze Zykluszeit gefordert, werden nur wenige Feldgeräte an ein Profibus-PA-Segment angeschlossen. Prozessdaten, die eine längere Zykluszeit erlauben, werden einem Segment mit mehr Teilnehmern zugeordnet.

Alternativ zu einem Segmentkoppler trennen sogenannte Power Repeater ein nicht eigensicheres H1-Feldbussegment und ein eigensicheres H1-Feldbussegment galvanisch voneinander, frischen die Signalform und den Pegel der eingehenden Kommunikationssignale auf und stellen zusätzlich eine eigensichere Speisung für die angeschlossenen eigensicheren Feldgeräte zur Verfügung. Die Power Repeater sind für die IEC-Feldbusse geeignet; es gibt sie in zwei eigensicheren Ausführungen (Abb. 2). Vor allem für die Speisung von Foundation Fieldbus-Feldgeräten der Typenprofile 111 und 112, für die es keine Fisco-Zulassung gibt, wurde der KLD2-PR-EX1.IEC mit 70-mA-Versorgungsstrom und geringen Ex-Zulassungswerten konzipiert. Das Besondere an diesem Repeater ist, dass die genannten Feldgeräte unter Fisco-Bedingungen anschließen lassen.

Bei Verwendung des Power Repeaters muss kein rechnerischer Nachweis der Zusammenschaltung eigensicherer Steuerstromkreise erbracht werden. Auch werden alle anderen am Markt erhältlichen Fisco-bescheinigten Profibus-PA- und FF-Feldgeräte versorgt. Der KLD2-PR-EX1.IEC1 hat im Unterschied zu dem zuvor genannten Power Repeater 100-mA-Versorgungstrom und Profibus-PA konforme höhere Zulassungswerte.

Profibus und Foundation Fieldbus bieten den Vorteil der rein digitalen Kommunikation und der permanenten Aussage über den Status des gelesenen Wertes. Nicht alle Sensoren wie Druck, Differenzdruck, Durchfluss, und Massendurchflussmesser oder Ventile mit Stellungsregler sind in der benötigten mechanischen Ausführung mit Buskopplung erhältlich. Bei einfachen Ventilen, Sensoren, und Signalgebern ist der Aufwand für die Busanschaltung sehr groß, und die Kosten sind verglichen mit dem Preis für einen konventionellen Sensor unverhältnismäßig hoch.

Hier kommen eigensichere Remote I/O-Systeme zum Einsatz. Diese sind über den Feldbus an das Leitsystem gekoppelte Interface-Ebenen mit an die Prozessautomation angepassten Eigenschaften. Das System IS-RPI wird innnerhalb der Explosionsschutzzone 1 installiert. Die Feldstromkreise können in die Zone 0 führen. Die Ausgänge der Vor-Ort-Netzteile sind eigensicher ausgeführt. Die Bausteine erlauben hot swapping während des Betriebs. 64 Temperatur- und 124 binäre Eingänge werden über ein Gateway über den eigensicheren Feldbus an das Leitsystem gekoppelt. Bei einem Wechsel des Feldbusses genügt der Austausch des Gateways, um die konventionellen Feldgeräte an einen beliebigen Feldbus anzubinden.

Neben den klassischen Remote I/O-Systemen, die eine separate Speisung benötigen, werden auch kompakte dezentrale Feldbusanschaltmodule eingesetzt, um die binären Ein- und Ausgänge kostengünstig über den Feldbus an das Automatisierungsgerät anzukoppeln. Die FPI-Module werden über den Feldbus versorgt. Eine Fremdspeisung ist nicht erforderlich. Ein robustes IP 65-Feldgehäuse ermöglicht eine Installation unmittelbar bei der Anwendung. Die Leitungswege zum Sensor bzw. Aktor werden dadurch minimiert. Über die FPI-Sensoranschaltung FDO-BI-Ex12.PA können Füllstände von vier Namur-Vibrationsschwinggabeln und Endlagen von acht Sensoren erfasst und über den Profibus-PA übertragen werden (Abb. 3). Mit der FPI-Ventilanschaltung FDO-VC-EX4.PA können vier Low-Power-Ventile mit eigensicheren Steuerstromkreisen an den Profibus-PA angeschlossen werden. Weitere acht Eingänge stehen zur Erfassung der Ventilendlagen zur Verfügung. Die Ausführung FDO-VC-EX4.FF ist verfügbar für die Ankopplung an den Foundation Fieldbus.

Halle 9, Stand F18

E cav 233

Die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB), die im Auftrag von namhaften Feldgeräteherstellern innerhalb der Profibus Nutzerorganisation (PNO) das Fieldbus Intrinsically Safe Concept, kurz Fisco genannt, erarbeitet hat, wies nach, dass unter Berücksichtigung von gewissen Randbedingungen die heute übliche aufwendige Berechnung der Zusammenschaltung eigensicherer Steuerstromkreise entfallen kann. Durch das Fisco-Modell hat der Anwender den Vorteil, alle elektrischen Komponenten eines Profibus-PA-Segments einfach miteinander verschalten zu können, ohne einen Nachweis der Eigensicherheit führen zu müssen. Es ist lediglich erforderlich, dass die Komponenten nach Fisco zugelassen sind. Dies vereinfacht erheblich die Projektierung einer Anlage.