Gerätetausch im laufenden Betrieb

Der Autor: Stephan Sagebiel Business Development Global Products Business Unit Interface, Phoenix Contact Electronics

Anlagenplaner konnten in der Vergangenheit die für die Anwendung erforderlichen Regelkreise so aufbauen, wie es im Tabellenbuch abgedruckt war: Ein Sensor nimmt den Istwert auf, der über ein Kabel zur Regeleinheit übertragen wird. In der Regeleinheit wird der Istwert dann mit dem eingestellten Sollwert verglichen und das jeweilige Stellsignal über ein zweites Kabel an den Aktor weitergeleitet. Die zwischen den Sensoren, Aktoren und Reglern befindlichen Interfaces sorgen für die entsprechende Signalanpassung. Da jeder Bestandteil des Regel-Loops einschließlich des Interfaces separat ausgeführt ist, lassen sich alle Komponenten einfach und schnell austauschen oder erweitern. Das stellt eine hohe Anlagenverfügbarkeit sicher.

Mit der Einführung von Bustechnologien wie Profibus PA oder Foundation Fieldbus (FF) hat sich diese Vorgehensweise allerdings geändert. Wenn das Prinzip des Reglers verglichen mit der klassischen Parallelverdrahtung (4…20mA-Technik) auch beibehalten worden ist, wurde die Interface-Ebene jedoch ummodelliert.

Durch den Einsatz der Feldbustechnik werden in der Planungs- und Installationsphase der Applikation Einsparungen erzielt, gleichzeitig hat aber die Verfügbarkeit der prozesstechnischen Anlagen im Hinblick auf die Fehlertoleranz erheblich abgenommen. Erste Installationskonzepte sahen vor, dass ein Stammkabel (Trunk) vom Leitsystem ins Feld verlegt wird, an das die Prozessinstrumente per T-Stück parallel aneinander angeschlossen werden. Tritt ein Kurzschluss auf, fällt somit die Kommunikation im gesamten Bussegment aus. Später wurden Segment-Protektoren in Form mehrkanaliger Blöcke angeboten. Auf diese Weise ist die Störung auf den jeweiligen Stich beschränkt und das restliche Segment bleibt funktionsfähig. Die Blöcke sind sowohl mit rein den Kurzschlussstrom begrenzenden als auch mit eigensicheren Ausgängen, so genannten Feldbarrieren, erhältlich. In beiden Varianten wird Energie umgesetzt, die zu einer Erwärmung und damit Alterung der Komponenten führt.

Ist ein Kanal des mehrkanaligen Kopplers defekt und muss ersetzt werden, wird während des Tauschvorgangs das gesamte Bussegment und folglich der entsprechende Anlagenteil vom Netz getrennt. Das bedeutet im schlimmsten Fall ein Herunter- und späteres Wiederanfahren der Anlage. Eine einfache Netzwerkkomponente verursacht also einen teuren Produktionsausfall. Hinzu kommt, dass prozesstechnische Anlagen im Laufe ihres recht langen Lebenszyklus regelmäßig optimiert und ausgebaut werden. Zum Teil geht es lediglich darum, an einer bestimmten Stelle einen weiteren Druck, Temperatur- oder Durchflusswert zur Verfügung zu stellen, respektive ein zusätzliches Ventil zu installieren. Daher werden die mehrkanaligen Blöcke stets so ausgelegt, dass etwa 25 % der Anschlüsse als Reserve dienen. Es ist somit ungewiss, ob diese Anschlüsse je benötigt werden, für eine Erweiterung ausreichen oder überhaupt noch funktionieren, sofern eine Verwendung ansteht.

Die Unwägbarkeiten der Feldbustechnik fangen also in der Planungsphase bei der Nutzung konventioneller Koppler-Blöcke an und ziehen sich wie ein roter Faden durch die komplette Betriebsdauer bis hin zum Rückbau. Vor diesem Hintergrund haben die Interface-Spezialisten von Phoenix Contact den Aufbau konventioneller Gerätekoppler und Feldbarrieren untersucht und verbessert. Im Ergebnis erhält der Anwender skalierbare Koppler, die den Einsatz von Feldbustechnik mit einer hohen Verfügbarkeit durch Single Loop Integrity kombinieren, indem die Geräte sowohl bedarfsgerecht plan- und installierbar als auch flexibel austausch- und erweiterbar sind.

Eine Hauptleitungsklemme bringt das zweipolige Foundation-Fieldbus- oder Profibus-PA-Kabel des High Power Trunks auf einen Hutschienen-Steckverbinder. Die Gerätekoppler und der eigensichere Feldbustrenner empfangen das Feldbussignal über die so geschaffene Backplane, begrenzen es je nach erforderlicher Zündschutzart gemäß Ex nA[ic]/Ficso ic respektive Ex nA [ia]/Fisco und binden die Feldgeräte so an. Durch diesen innovativen Ansatz lässt sich das Installationskonzept effizienter und hochverfügbar gestalten. Während der Planung muss dem Anwender nur in etwa bekannt sein, wie viele Transmitter an welcher Position in der Anlage notwendig sind. Anhand dieser Information kann er entscheiden, welche Ausmaße die benötigte Junction Box haben muss, in der die gewünschten Ankopplungen an den Bus nach und nach realisiert werden. Die einzige Reserve, die der Anwender zu berücksichtigen hat, ist der Platz auf der Hutschiene.

Die in Zone 2 montierte Junction Box enthält den Hauptleitungskoppler, der den Hutschienenbus eröffnet und die Hauptleitung abschließt. Nun ist es möglich, die Stichleitungsanschlüsse auf die Zahl zu beschränken, die tatsächlich erforderlich ist. Trotzdem hat der Anwender die Sicherheit, zu einem späteren Zeitpunkt so viele weitere Stichleitungsanschlüsse ergänzen zu können, wie die Hutschiene Platz bietet. Auf diese Weise kann zum Beispiel problemlos ein zusätzlicher Druck-Transmitter installiert werden. Jeder Koppler verfügt über einen Hutschienen-Steckverbinder. Im laufenden Betrieb lässt sich die Backplane so erweitern, der neue Koppler auf die Tragschiene rasten und dann der Transmitter anschließen. Das stellt eine hohe Verfügbarkeit der Anlage sicher und bringt die im Bereich der Parallelverdrahtung bewährte Schleifenintegrität (Single Loop Integrity) zurück. Ist ein Koppler defekt, kann der Anwender ihn ebenfalls von der Hutschiene entfernen und austauschen, ohne die Produktion zu unterbrechen.

Schleifenintegrität leistet einen Beitrag zur Erreichung der geforderten Sicherheit

In den kommenden Jahren werden die Safety Stacks FF SIF (Safety Instrumented Functions) und Profisafe auch in der Verfahrenstechnik Einzug halten. Hierbei handelt es sich um Sicherheitsprotokolle, die eine SIL3-Implementierung gemäß IEC 61508 per Software erlauben. Das erweist sich als vorteilhaft, weil die zwischen DCS (Distributed Control System) und Feldgerät ablaufenden Prozesse nicht in die SIL-Betrachtung einfließen müssen. Vielmehr sorgen die Protokolle dafür, dass sämt- liche im Physical Layer auftretenden Signalverfälschungen sicher erkannt werden und die Anlage so automatisch in einen sicheren Zustand verfährt.

Bei der Planung des unsichtbaren Black Channels muss der Anwender sich allerdings nicht nur auf die Zulassung des Protokolls verlassen, sondern kann einen eigenen Beitrag zur Erreichung der geforderten Sicherheit leisten, indem er auch die Feldbus-Stromversorgungen und Feldbuskoppler in seine Betrachtungen einbezieht. Denn was nützt ein Protokoll, das Fehler sicher detektiert, wenn es die Verfügbarkeit der Anlage physikalisch nicht erhöhen kann. Weder FF SIF noch Profisafe sind in der Lage zu verhindern, dass ein Segment beim Auswechseln eines defekten Feldbusbarriere-Blocks vom Netz getrennt werden muss. Vor diesem Hintergrund bieten sich die skalierbaren Feldbuskoppler für stetige Prozesse an, egal ob es Standard- oder sicherheitsrelevante Applikationen sind.

Neben der effizienten Nutzung des Kommunikationskanals durch die Foundation-Fieldbus-Protokollerweiterung Control In The Field (CIF) werden nicht nur die Reaktionszeiten des Systems optimiert, sondern es lässt sich bei Verwendung der skalierbaren Feldbuskoppler auch hardwaremäßig eine Schleifenintegrität erreichen. Festzustellen bleibt also, dass prozesstechnische Anlagen sowohl durch Software als auch durch innovative mechanische Konstruktionen verbessert werden können.

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