Bussystem für den Ex-Bereich

Walter Hein M.A., Dr. Andreas Otto

Für die Chemieindustrie spielt der Einsatz von elektrischen Betriebsmitteln in explosionsgefährdeten Bereichen eine wichtige Rolle. Neben der Explosionsgefahr besteht bei chemischen und petrochemischen Anlagen zusätzlich das Risiko, daß ein Stillstand außer dem Produktionsausfall ernste Schäden an der Anlage oder dem Produkt verursacht. So kann die Durchtrennung eines Feldbuskabels zu Kosten führen, die in keiner Relation zu den vorherigen Einsparungen stehen, die der Ersatz eines Bussystems anstelle eines konventionellen Systems bringt. Hier hat die bewährte Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung entscheidende Vorteile. Ein Feldbussystem, das dennoch die gewohnte Verfügbarkeit gewährleistet, ist das sensoplex-MC-System, für das sich die Schering AG in Bergkamen in einigen Teilbereichen ihres Werkes entschieden hat.

Im Werk Bergkamen produziert die Schering AG pharmazeutische Wirkstoffe. Eingesetzte verfahrenstechnische Apparate sind beispielsweise Rührreaktoren. Die MSR-Einrichtungen für die Produktionsanlagen sind zum großen Teil nach werksweit einheitlichen Vorgaben ausgeführt. Dementsprechend ist der Anteil fertig gekaufter Apparate mit integrierter Steuerung und eigenem Schaltschrank (sogenannte Package Units) in diesem Werk klein. Die eingesetzten Prozeßrechner bzw. Prozeßleitsysteme sind in der Regel größeren Produktionseinheiten (Betrieben) zugeordnet. Für die Aufbau- und Verbindungstechnik wurde unter diesen Voraussetzungen zur Kostenminimierung folgendes Konzept ausgearbeitet:

• Verwendung eigensicherer Feldgeräte,

• Aufbau von Ex-Trennebene und Prozeßleitsystemen in nicht explosionsgefährdeten Bereichen (MSR-Räumen),

• Einbau der Ex-Trennebene sowie zugehöriger prozeßnaher Komponenten (z. B. SPS) in standardisierte 190-Baugruppenträgergestelle,

• feste Zuordnung von Gestellen zu verfahrenstechnischen Teilanlagen zur Vermeidung von Gestell-Rangierungen und zur Erhöhung der Übersichtlichkeit,

• Aufstellung der Gestelle im festen vorherbestimmten Rastermaß von 1000 x 400 mm2 mit jeweils 800 mm breiten Gängen zur einfachen Planung des Doppelbodens sowie

• Verzicht auf Rangierverteiler. Stattdessen erfolgt die Rangierung im selben 190-Baugruppenträgergestell von der Eingangswabe direkt auf die Federleiste des Ex-Trenners.

Beim Einsatz dieser Installationstechnik ist das sensoplex MC-System der erste Schritt zum Feldbus. Bei der in Abb. 1 dargestellten herkömmlichen Installationstechnik wird für die ein- und ausgehenden Ex-Signale in separaten Trennschaltverstärkern bzw. Speisetrennern die Ex-Trennung vorgenommen. So wird z.B. aus einem NAMUR-Signal ein 24-VDC-Wert, und aus einem 4…20-mA-Ex-Signal ein 4…20-mA-Standardsignal. Dieses Signal wird anschließend an den Ein- oder Ausgang der E/A-Karte des Prozeßleitsystems weitergegeben. Das sensoplex MC-System spart genau an dieser Stelle (Abb. 2).

Die aus dem Ex-Bereich kommenden bzw. dort hineingehenden Signale werden wie bisher auf Baugruppen rangiert, die in einem Baugruppenträger integriert sind. Dort wird die Ex-Trennung vorgenommen. Die Masterbaugruppe erfaßt alle digitalen Daten eines Baugruppenträgers zentral und stellt sie einem übergeordneten Prozeßleitsystem oder einer SPS über ein Bussystem zur Verfügung. Zusätzliche E/A-Karten sind nicht erforderlich.

Neben Standardbaugruppen für normierte Spannungs-, Strom- und Temperatursignale gibt es intelligente E/A-Baugruppen für schnelle Zählvorgänge und Drehzahlüberwachungen, da je nach Geschwindigkeit dieser Vorgänge nicht immer garantiert ist, daß das jeweilige Prozeßleitsystem auch jedes Signal erfaßt. Alle binären Baugruppen sind 4- oder 8-kanalig ausgeführt, die analogen 4-kanalig. Auf allen 4-kanaligen Baugruppen sind die Kanäle galvanisch voneinander getrennt.

Ein Baugruppenträger kann bis zu 16 Baugruppen mit der zugehörigen Mastereinheit aufnehmen. Je Master sind so bis zu 64 analoge bzw. 256 binäre E/A-Signale (bei Kaskadierung der Baugruppenträger) oder jede beliebige Mischung davon möglich. Diese werden dem übergeordnetem Bus zur Verfügung gestellt. Eine zusätzliche RS232C-Schnittstelle ermöglicht den Anschluß eines PCs, der zur Parametrierung und Überwachung dient. Die Feldgeräte lassen sich über steckbare Crimp-Snap-In-, Federzug- oder Schraubklemmen-Kontakte anschließen.

Abb. 3 zeigt den Einsatz des Systems in Verbindung mit einer S7-400 der Siemens AG in einem Bergkamener Technikumsbetrieb. Vier Baugruppenträger sind über Profibus DP mit einem Prozeßleitsystem PCS7 der Siemens AG gekoppelt. Sämtliche E/A-Module auf Seiten der S7 sind entfallen. Die beiden Baugruppenträger ganz unten nehmen die verbliebenen Einheiten in herkömmlicher Installationstechnik auf. Mit Ausnahme der Signale dieser Baugruppen ist nur noch eine einzige Rangierebene je E/A-Signal vorhanden. Die Rangierung erfolgt auf der Gestellrückseite von der Eingangswabe links auf die Federleiste der jeweiligen Baugruppe.

Derzeit verarbeit die Anlage etwa 160 binäre und 50 analoge E/A-Signale in dem gezeigten Gestell. Der mögliche Endausbau eines voll bestückten Gestells umfaßt neben den beiden herkömmlichen Baugruppenträgern und der S7-400 sieben Baugruppenträger für maximal 896 binäre oder 448 analoge Signale bzw. jede beliebige Mischung davon.

Mit diesem System wird auf der einen Seite dem Verfügbarkeitsdenken Rechnung getragen, indem die Anschlüsse der Feldgeräte weiterhin einzeln in bewährter Übertragungstechnik vorgenommen werden. Dies hat zur Folge, daß bei Drahtbruch, Kurzschluß oder elektromagnetischen Einstreuungen nicht gleich zahlreiche Feldkomponenten ausfallen. Auf der anderen Seite wird dem Kostendruck entsprochen, indem die gesamte E/A-Ebene der SPS bzw. des Prozeßleitsystems in die Ex-Trennebene verlagert wird. Die Kostenersparnisse sind erheblich, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß das sensoplex MC-System kostenneutral zu bisherigen Standardlösungen arbeitet.

Zusätzlich läßt sich ein eigensicherer Bus in der Feldebene realisieren. Das sensoplex 2Ex ist ein Master-Slave-Feldbussystem für binäre Sensoren und Aktoren (Abb. 4). Eingangsseitig ist der Anschluß von Signalgebern nach NAMUR oder von mechanischen Kontakten möglich. Auf der Ausgangsseite lassen sich Kleinleistungsverbraucher wie leistungsarme Magnetventile anschließen. Insgesamt können bis zu 32 (64) achtkanalige E/A-Module mit einem Master betrieben werden. Die Module sind in der Schutzart IP 67 ausgeführt und eignen sich ohne weitere Schutzmaßnahmen direkt für den explosionsgefährdeten Bereich. Die eigensichere Trennung wird durch die VB14 Ex/CS gewährleistet. Der Betrieb beide Systeme durch ein übergeordnetes Bussystem ist möglich. Einfache Applikationen, bei denen weit verteilte Peripheriesignale eingesammelt werden müssen (Verpackungs- oder Abfüllanlagen), und komplexe Produktionsprozesse mit eher zentralisierter Installationstechnik können so über den gleichen Prozeßrechner gesteuert werden.

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