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Feldbuseinsatz im Ex-Bereich

Remote I/O-Systeme binden herkömmliche Sensoren an den Feldbus an
Feldbuseinsatz im Ex-Bereich

Mit Feldbustrennern, Segmentkopplern und Remote I/O-Systemen lässt sich die Feldbustechnologie in prozesstechnischen Anlagen umfassend und vorteilhaft einsetzen. Sensoren und Aktoren mit Feldbuskopplung sind am Markt zwar verfügbar, aber teuer. Die nach wie vor notwendigen konventionellen Mess- und Steuersignale binden daher Remote I/O-Systeme in die neue Technologie ein.

Jürgen George

Der Feldbus ist derzeit in der Prozessautomation ein allgegenwärtiges Thema, betonen doch Hersteller und Anwender die großen Vorteile. So lassen sich bei der Planung, Konstruktion und Installation über 50% einsparen. Die einfache Inbetriebnahme mit zentraler Konfigurierung, die erhöhte Anlagensicherheit und -verfügbarkeit mit verbesserter Genauigkeit und Einsparungen durch vereinfachte Wartung sprechen darüber hinaus für den Feldbus. Außerdem ist ein Investitionsschutz durch den offenen internationalen Standard gegeben. Angesichts dieser Vorteile erscheint aber der Anteil von Feldbussystemen in produzierenden Anlagen zu gering.
Randbedingungen für denerfolgreichen Einsatz
Für einen erfolgreichen Einsatz in prozesstechnischen Anlagen muss die Feldbustechnologie global eingeführt werden, da Mischstrukturen mit einem hohen Anteil konventioneller Verdrahtung teurer sind und die Vorteile der neuen Technik schwinden lassen. Dementsprechend hoch sind die Anforderungen und Rahmenbedingungen für ein solches System. So sitzen in einer Chemieanlage die Messstellen räumlich verteilt und Entfernungen zwischen 100 m und 2 km müssen überbrückt werden. Sensoren und Aktoren sind vor Ort über den Feldbus zu speisen, um zusätzliche Hilfsenergieleitungen einzusparen. Darüber hinaus muss der Feldbus gerade in Chemieanlagen den Anforderungen des Explosionsschutzes genügen.
Ein weiteres Problem: In den ausgedehnten Anlagen besteht häufig kein Sichtkontakt zwischen dem Wartungspersonal und den Feldgeräten. Das System muss sich daher von der Warte aus zentral überwachen, parametrieren und konfigurieren lassen. Neben der zyklischen Messdatenübertragung sind also auch azyklische Kommunikationsdienste notwendig. Gleichzeitig kommt mit der Bustechnologie Intelligenz ins Feld, die durch die zusätzlichen Funktionen spezielle Softwarewerkzeuge zur Bedienung des Bussystems notwendig machen.
Sicherheit im Ex-Bereich
Speziell für die Belange der Prozessautomation wurden Profibus-PA und Foundation Fieldbus (FF) entwickelt. Beide sind Bestandteil der Norm IEC 61158 und nutzen die Übertragungsphysik nach IEC 61158-2, die auch den Explosionsschutz festlegt. Danach speist eine einzige Spannungsquelle, ein Feldbustrenner als zugeordnetes Betriebsmittel, den Bus. Alle Feldgeräte verhalten sich passiv. Sie werden mit 9 V und 10 mA oder mehr versorgt. Fremdgespeiste Geräte sind so verblockt, dass sie nicht auf den Bus rückspeisen können. Das Fieldbus Intrinsically Safe Concept (Fisco) vereinfacht die Anwendung der Eigensicherheit, indem es Grenzwerte für den Widerstands-, Induktivitäts- und Kapazitätsbelag und die Länge des Kabels setzt. Eine Betrachtung der Induktivität und Kapazität der Geräte und Kabel entfällt. Leitungslängen bis zu 1900 m sind möglich. Die Datenübertragung im Manchester II Code mit 31,25 kBd erfolgt durch Modulieren der Stromaufnahme des sendenden Gerätes um ±9 mA. An den beiden Abschlusswiderständen der Leitung entsteht eine Modulationsspannung, die von den Busteilnehmern empfangen wird (Abb. 1).
Über die gleiche Physik wie auf der Feldseite ist bei FF die sichere Seite des Feldbustrenners mit dem Bus-Master verbunden. Dagegen wird Profibus-PA über einen Segmentkoppler mit RS485-Schnittstelle an den nicht eigensicheren Profibus-DP angeschlossen, der dabei mit Baudraten zwischen 93,75 kBd und 12 MBd betrieben werden kann. Die Feldbustrenner und Segmentkoppler liefern 400 mA Speisestrom auf den Bus. Bei EEx ib IIC sind es 100 mA, genug, um 8 bis 10 eigensichere Feldgeräte zu speisen. Bezüglich der Kommunikation verhalten sich die Segmentkoppler transparent. Der Bus-Master sieht durch den Koppler hindurch direkt die Feldgeräte. Konfigurierungsarbeiten für den Segmentkoppler gibt es nicht.
Konfiguration via Software
Die Konfiguration des Bus-Masters erfolgt über eine Bediensoftware. Die Feldgeräte werden in die Bedienoberfläche des Leitsystems integriert, meist über eine Gerätebeschreibung (Device Description, DD), bei Profibus bei einfachen Geräten auch über eine Gerätestammdatei (GSD). Mit dem modernen FDT-Konzept können die Feldgeräte unterschiedlicher Hersteller mittels Treiberbausteinen, den Device Type Managern (DTM), auf einfache Weise in die Bedienoberfläche integriert werden. Bei speicherprogrammierbaren Steuerungen ist oft keine Bedienoberfläche vorhanden. Hier kann die Open Source Software PACTware eingesetzt werden.
Wirtschaftlichkeit
Die Bussysteme für die Prozessautomation haben sich bereits im praktischen Einsatz bewährt. Die Feldbustechnologie ist verfügbar, aber sie berücksichtigt nicht die nach wie vor notwendigen konventionellen Signale. Die Instrumentierung muss aber in der Lage sein, die Gesamtheit der in der Prozesstechnik notwendigen Größen zu erfassen. Die Einsetzbarkeit eines Sensors wird dabei von vielen Parametern bestimmt. Nicht nur die Messgröße, wie Druck oder Füllstand, entscheidet, auch das Messprinzip, die Mechanik, die Materialbeständigkeit und nicht zuletzt die Betriebsbewährtheit sind zu berücksichtigen. Zu den Ex-Vorschriften kommt nun noch die Busanschaltung, die beispielsweise den Preis eines Differenzdrucktransmitters um etwa 10% verteuert. Bei einem induktiven Näherungsschalter zur Klappenstellungserfassung bedeutet das ein Mehrfaches des reinen Sensorpreises. Nicht einmal bei einem Thermoelement ergibt sich, bezogen auf das reine Sensorelement, die gewünschte Wirtschaftlichkeit bei der Beschaffung.
Dies bedeutet aber, dass immer direkt busgekoppelte und konventionelle Sensoren und Aktoren gemeinsam in den prozesstechnischen Anlagen sein werden. Es muss daher eine Technologie gewählt werden, die die Kompatibilität zwischen konventioneller Signaltechnik und Feldbustechnik herstellt und eine Migration von der alten zur neuen Technik ermöglicht.
Ankopplung herkömmlicherSensoren
Dies gelingt durch die Einbeziehung von Remote I/O-Systemen, wie RPI und IS-RPI. Sie bringen die konventionellen Sensoren und Aktoren an den Feldbus, sogar mit zusätzlicher Hart-Kommunikation. Die komplexeren Feldgeräte werden direkt auf den Feldbus geschaltet (Abb. 2). Je nach Anlage sitzen die Remote I/O-Systeme im klimatisierten Schaltraum oder draußen im Feld in der Ex-Zone 2 (RPI) oder in Zone 1 (IS-RPI) in der Nähe der Sensoren und Aktoren, wobei auf eine ausreichende Temperaturfestigkeit der Systeme, z. B. -20 bis +70 °C wie bei IS-RPI, zu achten ist. Ein modularer Aufbau ermöglicht eine flexible Anpassung der Systeme. Anlagen mit 10 E/A-Kanälen und bis zu über 6000 Kanälen wurden mit RPI bereits instrumentiert (Abb. 3). Die Module können im laufenden Betrieb getauscht werden, bei IS-RPI sogar innerhalb der Ex-Zone 1 (Abb. 4). Für die angeschlossenen Transmitter und Ventile ist ausreichend Speiseleistung vorhanden, da die Remote I/O-Systeme vor Ort versorgt werden. Deshalb können auch nicht speisende Bussysteme, wie Modbus-RTU oder die schnelleren Profibus-DP oder ControlNet eingesetzt werden, natürlich alle auch eigensicher.
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