Kein Fiasko dank Fisco

Peter Wenzel, Thomas Westers

Die Implementierung des Explosionsschutzes auf Basis der Eigensicherheit ist eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg von Feldbussystemen in der Chemie- und Verfahrenstechnik. Soll ein Feldbussystem mit seinen vielen Komponenten wie Speisequelle, Feldgeräte, Bedienterminals u. a. eigensicher sein und gegebenenfalls von einer Aufsichtsbehörde wie z. B. der Berufsgenossenschaft als eigensicher zugelassen werden, so erfordert das für den Betreiber ohne Nutzung von Fisco eine zeitraubende, iterative Rechenprozedur. Die einzelnen Geräte mit ihren zugehörigen Zündkurven müssen rechnerisch zu einem System mit einer Summen-Zündkurve kombiniert und hinsichtlich Unterschreitung kritischer Werte beurteilt werden, wofür die primäre Verantwortung beim Betreiber liegt. Dabei können, neben der zeitintensiven Rechenprozedur, auch erhebliche Nachteile durch die Begrenzung der an einem Feldbussegment anschließbaren Geräte eintreten. Und jede nachträgliche Änderung bei z. B. Erweiterung der Anlage oder der Austausch auch nur eines Gerätes erfordert eine Wiederholung des gesamten Ablaufs. Die Vorteile der Feldbustechnik können durch diese Erfordernisse schnell zunichte gemacht werden; genau hier setzt das Fisco-Modell an.

Fisco beschreibt ein konzeptionelles Vorgehen für die einfache Implementierung des Explosionsschutzes bei Feldbusinstallationen mit der Zündschutzart Eigensicherheit. Einfach bezieht sich dabei sowohl auf die Vorgehensweise bei Planung und Zulassung einer neuen eigensicheren Feldbusinstallation als auch bei wartungsbedingten Eingriffen oder späteren Änderungen und Erweiterungen. Fisco bezieht sich auf die IEC 61158-2 („… Fieldbus for use in industrial control systems, physical layer specification … ) und dort auf die Spezifikation der von Profibus – neben anderen – verwendeten Übertragungstechnik „voltage mode, wire medium, 31,25 kBit/s“ mit folgenden Festlegungen:

Diese Übertragungstechnik wird mit MBP (Manchester coded, Bus Powered) bezeichnet, im Fall von eigensicheren Installationen mit MBP-IS (Intrinsically Safe).

Fisco beruht technisch auf detaillierten Zündversuch-Testreihen der PTB bezüglich des Zusammenwirkens eines Speisegerätes mit der zugehörigen Busleitung und den angeschlossenen Feldgeräten. Als Ergebnis wurde dabei nachgewiesen, dass die Reaktanzen (das sind die nicht-ohmschen Anteile einer Impedanz) der Kabel in einem Feldbussegment auf die Eigensicherheit der jeweils untersuchten Feldbus-Konstellationen ohne Einfluss bleiben. Das bedeutet für den untersuchten Bereich und innerhalb bestimmter Parameter der verwendeten Kabel, dass trotz der Forderungen nach Eigensicherheit Leitungslängen bis 1000 m und darüber möglich sind, was sich sehr positiv auf die mögliche Anlagentopologie auswirkt. Zugleich kann für die Ermittlung der zulässigen Grenzwerte die Zündgrenzkurve für Ohmsche Stromkreise statt der für induktive Stromkreise verwendet werden, was einen höheren Strom der Speisequelle und damit mehr Geräte am Bus erlaubt. Allerdings bleibt die Gerätezahl bei den heute am Markt verfügbaren Speisegeräten noch immer unter der gemäß IEC aus signaltechnischen Gründen maximal zulässigen Zahl von 32 Geräten je Segment.

Mehr Geräte mit erheblich weniger Aufwand und ohne Genehmigungsverfahren eigensicher an einem Feldbus installieren, so dokumentiert sich der Fisco-Anwendernutzen bei Planung und Errichtung einer neuen Anlage. Und spätere Erweiterungen und Änderungen wieder ohne Genehmigungsverfahren durchführen zu können, das zeigt die Nachhaltigkeit dieses Anwendernutzens. Mit Fisco ist es möglich, eigensichere Feldbusinstallationen ohne spezielle Genehmigungsverfahren unter Berücksichtigung der nachfolgenden Punkte planen, installieren, ändern und erweitern zu können:

Sehr deutlich wird dies bei dem Vergleich der Implementierungsschritte bei Anwendung von Fisco gegenüber der konventionellen Vorgehensweise.

Profibus PA ist die Lösung von Profibus für die Prozessautomatisierung und dort bevorzugt für die Anwendung in explosionsgefährdeten Bereichen. Mit Blick auf dieses Segment wurde Fisco entwickelt; mittlerweile ist Fisco auch international erfolgreich und akzeptiert, wofür die Aufnahme in die IEC 60079-27 (Electrical apparatus for explosive gas atmospheres) ein deutliches Zeichen ist. Gestützt auf diese Standardisierung können Gerätehersteller ihre Geräte jetzt gemäß den Fisco-Randbedingungen entwickeln und – zusätzlich zur Eigensicherheit – auch bezüglich Einhaltung der Fisco-Bedingungen zertifizieren lassen. Viele Hersteller sind diesen Weg gegangen, so dass heute alle wichtigen Feldgerätetypen als Profibus-PA-Geräte mit Fisco-Zertifizierung verfügbar sind.

Die Zündschutzart Eigensicherheit mit ihrer aus zündtechnischen Gründen begrenzten Energiezuführung und damit auch begrenzten Gerätezahl wird in einer verfahrenstechnischen Anlage vor allem dort benötigt, wo während des Betriebes Änderungen oder Instandhaltungsmaßnahmen vorgenommen werden müssen. In anderen Bereichen der Anlage (am Stammkabel und an den Anschlussblöcken) besteht diese Forderung in der Regel jedoch nicht, weswegen dort die leistungsstärkere Zündschutzart erhöhte Sicherheit häufig ausreicht und damit die Zahl der anschließbaren Geräte bis zur generellen Grenze von 32 ausgenutzt werden kann.

Ein derartiges gemischtes Konzept EEx e/EEx i erhöht die Zahl der anschließbaren Geräte und trägt damit wesentlich zur Effizienz und damit Akzeptanz von Profibus-PA-Anlagen bei. Das Konzept kann mit Hilfe von Segmentkopplern und Feldbusbarrieren realisiert werden. Der Übergang von Profibus-DP- auf Profibus-PA-Segmente gestaltet ein Segmentkoppler, z. B. der SK2 aus dem FieldConnex-System. Er setzt die Feldbussignale von der RS485-Physik des Profibus DP auf die MBP-Physik gemäß IEC 61158-2 des Profibus PA um. Der Segmentkoppler koppelt einen relativ hohen Speisestrom, der bei der heutigen Gerätetechnik bei 400 mA liegt, in die Busleitung ein. Dieser wird in der Explosionsschutzart EEx e zu den Feldbusbarrieren geführt, die möglichst nahe bei den PLT-Stellen im Feld montiert sind. Feldbusbarrieren sind damit Verteiler-Komponenten, deren Energiezuführung gemäß EEx e ausgeführt ist, während die Anschlüsse für Feldgeräte die Zündschutzart Ex i aufweisen. Beispiele hierfür sind die Multibarriere von ABB oder die FieldBarrier aus dem FieldConnex-System von Pepperl+Fuchs, die in der Zone 1 montiert werden können. Die FieldBarrier verteilt die in Ex e ausgeführte Feldbus-Hauptleitung auf bis zu vier Ausgangsleitungen in der Schutzart eigensicher (MBP-IS) für den Anschluss von Geräten in der Ex-Zone 1 oder 0. Über jeden der vier EEx-i-Ausgänge mit je 40 mA Ausgangsstrom können dann leistungsstarke Feldgeräte eigensicher und rückwirkungsfrei an den Bus angeschlossen werden. Die Verwendung mehrerer solcher Barrieren an einem EEx-e-Strang und die Kombination dieser Technik mit reinen EEx-i-Strängen am gleichen Speisegerät gibt dem Anwender höchstmögliche Flexibilität in der Gestaltung der Anlagentopologie und erlaubt die volle Ausnutzung der möglichen Gerätezahl.

Bei Feldbusbarrieren in der Ausführung FieldBarrier ist jeder Ausgang individuell gegen Kurzschluss geschützt. Es wird der Anschluss genau eines Feldgerätes pro Ausgang empfohlen. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Schadensfall in einem Feldgerät nur dieses Gerät beeinträchtigt und keine Auswirkungen auf benachbarte Geräte hat oder im schlimmsten Fall den gesamten Feldbus zum Stillstand bringt. Sehr gründliche Untersuchungen (FuRIOS-Studie) haben kürzlich gezeigt, dass diese Technik eine wesentliche Voraussetzung für den wirtschaftlichen Einsatz der Feldbustechnik in explosionsgefährdeten Bereichen ist.

Halle 11, Stand A41/A48

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