Datenverlust vorbeugen

Dipl.-Ing. Thomas Kasten

Zu Beginn der digitalen Anlagensteuerung war die 4…20-mA-Technologie mit einer Punkt-zu-Punkt-Signalübertragung und -Stromversorgung der Geräte über ein einziges zweiadriges Kabel Stand der Technik. Das auf das analoge Messsignal aufgekoppelte Hart-Protokoll ermöglichte ein gewisses Maß an zusätzlicher Datenübertragung, die für Diagnose und Parametrierung eingesetzt werden konnte. Vergleichsweise mehr Daten können mittels digitaler Kommunikation übertragen werden. Zudem erlauben digitale Bussysteme die Hintereinanderschaltung von mehreren Teilnehmern an ein und demselben Kabel.

Anfangs schien ein einfaches Signal- oder Telefonkabel zur Hintereinanderschaltung der Feldgeräte ausreichend. Doch schnell zeigten sich die Schwächen: digitale Signale sind extrem störanfällig. In der Prozessautomation hingegen kann schon der Verlust eines Datensatzes kritische Auswirkungen haben. Deshalb hat sich sehr schnell der hochwertige, geschirmte Typ A als Referenzkabel durchgesetzt, obwohl die Norm ebenfalls Kabeltypen B, C und D zulässt. Dies jedoch nur unter erheblichen Einschränkungen, besonders bei der zulässigen Kabellänge. Auch bezüglich der Topologie zeigt sich eine Analogie zwischen LAN und Feldbus. Es ist nicht tolerierbar, dass bei Ausfall eines Teilnehmers alle anderen ebenfalls nicht mehr kommunizieren können. Das heute weit verbreitete Ethernet ist als Linienstruktur mit Stichleitungen aufgebaut, als Verteiler dienen Hubs, Switches oder Router. Bei Feldbussen wurden als Verteiler ursprünglich rein passive Junction-Boxes eingesetzt. Zur Vermeidung von negativen Rückwirkungen durch Kurzschlüsse werden diese Feldbusverteiler heutzutage mit Kurzschluss-Strombegrenzungen für jede Stichleitung ausgestattet, zum Beispiel den FieldConnex-Segment-Protectoren von Pepperl+Fuchs.

Die für die Prozessautomation anfangs fehlende Funktionalität war die Kopplung der Übertragungsamplitude des digitalen Datensignals mit dem Gleichstrom zur Geräteversorgung auf ein und demselben zweiadrigen Kabel, wie es in der IEC 61185–2 definiert ist. Hierzu dienen Feldbus-Stromversorgungen; für Profibus als Segmentkoppler oder DP/PA-Link mit integrierter Schnittstelle zum übergeordneten Datenbus Profibus DP. Bei Foundation Fieldbus wird die Verbindung vom Prozessbus H1 zur übergeordneten Kommunikationsebene, wie zum Beispiel dem High Speed Ethernet HSE, mit separaten Kommunikationsschnittstellen bzw. so genannten Linking Devices hergestellt. Allerdings gibt es einen signifikanten Unterschied zum LAN, da in der Prozessautomatisierung hohe Verfügbarkeit und Betriebssicherheit ein wichtiges Thema sind. Dies führte bei den Feldbus-Stromversorgungen zu zwei Philosophien: Entweder redundante Auslegung der aktiven elektronischen Koppelmodule, erkauft mit dem Nachteil eines hohen technischen Aufwands und hoher Verlustleistung durch Wärmeabstrahlung, oder Impedanzanpassung durch passive Bauteile mit hoher Lebensdauer und geringer Verlustleistung, wie sie im FieldConnex-Power- Conditioner umgesetzt wurde.

In der Prozessautomatisierung wurde schon in einer sehr frühen Phase der Technologieentwicklung der Explosionsschutz durch Eigensicherheit gefordert. Das bedeutet, die Energie wird derart begrenzt, dass kein zur Zündung des umgebenden Gasgemisches fähiger Funke entstehen kann. Der erste Ansatz war die direkte Übertragung aus der bekannten 4…20-mA-Technik, der gesamte Stromkreis mit allen angeschlossenen Teilnehmern sollte eigensicher ausgeführt werden. Im FieldConnex-Programm dienen hierzu die Ex i-Power-Repeater. Doch die erforderliche Begrenzung der Energie in dem Feldbussegment reduzierte die Anzahl der möglichen Teilnehmer derart, dass die Feldbustechnologie im Hinblick auf die Investitionskosten unattraktiv wurde. Darüber hinaus entwickelte sich der rechtlich vorgeschriebene Nachweis der Eigensicherheit, der in diesem sogenannten Entity Model die rechnerische Erfassung aller Kabel und Geräte erfordert, zu einer hochkomplexen Angelegenheit. Etwas Entspannung brachte Fisco, das als Ergebnis einer empirischen Untersuchung die Anzahl der möglichen Teilnehmer im eigensicheren Feldbusstromkreis erhöhte. Entsprechend gibt es im FieldConnex-Programm die Fisco Power-Repeater sowie die eigensicheren Segmentkoppler für Profibus.

Das Feldbus-Barrieren-Konzept erlaubt als einziges die Kombination aller Vorteile der Feldbustechnologie mit dem Schutz durch Eigensicherheit. Nur hier sind die für den Feldbus in nicht-explosionsgefährdeten Bereichen definierten maximalen Kabellängen und Teilnehmerzahlen auch in Ex-Zonen möglich, ohne dadurch die Vorteile der Eigensicherheit aufzugeben. Hierzu gehören unter anderem das Arbeiten am Gerät im Betrieb ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen oder hot swapping. Durch die Aufteilung des Explosionsschutzes in erhöhte Sicherheit Ex e für die passive Infrastruktur aus Kabeln und Verteilern und dem eigensicheren Ex i-Anschluss der Feldgeräte und ihrer Stichleitungen ermöglicht die FieldConnex-FieldBarrier die volle Ausnutzung der Vorteile beider Welten. In das Feldbussegment kann nun über Spannungsversorgungsmodule, die keinerlei Einschränkungen durch Explosionsschutzvorkehrungen unterliegen, ein hoher Versorgungsstrom eingespeist werden, während der Nachweis der Eigensicherheit jeweils nur für den Loop zwischen Ausgang der FieldBarrier und dem hier angeschlossenen Feldgerät erbracht werden muss.

Die Adaption der Eigensicherheit gemäß Fisco an die reduzierten Sicherheitsanforderungen in der Ex-Zone 2 brachte Fnico in die Diskussion. Auch bei diesem Konzept sind Strom- und Spannungsbegrenzungen zu beachten, die entsprechenden Parameter werden in der IEC 60079–27 Ed 1 niedergelegt. Der FieldConnex-Non-Incendive Power-Repeater sowie die Non-Incendive-Variante des FieldConnex-Power-Hub zusammen mit den gemäß Ex nA[L] zertifizierten Segment-Protectoren erlauben den Aufbau entsprechend geschützter Topologien für Zone 2.

Die Host-Systeme der führenden Leitsystemhersteller bieten zwei oder vier Foundation-Fieldbus-H1-Kommunikationsschnittstellen, die auch redundant ausgeführt sein können. Entsprechend basiert der modulare FieldConnex-Power-Hub auf Motherboards, die über Ausgänge für vier Feldbussegmente verfügen sowie über acht Anschlüsse für H1-Interfaces, die mittels eines Schalters auf Redundanzbetrieb eingestellt werden können. Darüber hinaus gibt es Ausführungen mit leitsystemsspezifischen Systemsteckern. Die Stromzuführung kann wahlweise einfach oder redundant erfolgen. Je nach Sicherheitsphilosophie des Anwenders können die Powermodule für jedes Segment einfach oder redundant ausgeführt werden, über Diagnosemodule wird der Status von Power-Hub und Stromversorgung im Feldbussegment überwacht. Eine deutliche Weiterentwicklung hinsichtlich Stabilität der Feldbuskommunikation und Verfügbarkeit bieten verschiedene Isolationsstufen bis hin zur vollen galvanischen Trennung sowie die Crest-Funktionalität. Crest steht für Crosstalk and Resonance Suppression Technology und stabilisiert das digitale Signal durch die Minimierung von Störungen durch Übersprechen und die Unterdrückung von Resonanzen im System. Die Conditioner-Version bietet darüber hinaus einen Kurzschlussschutz für die Verbindung zum Host. Im Hinblick auf die Entwicklungspfade stellt die Power-Hub-Conditioner-Version die Weiterentwicklung des bisher eingesetzten Power-Conditioners dar, während die Power-Hub-Isolated-Versionen mit ihrer galvanischen Trennung die technologischen Nachfolger der Feldbus-Stromversorgung sind.

Halle 7, Stand 256

cav 415

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Fisco