Ethernet-Kommunikation im Ex-Bereich

André Fritsch

Hoher Datendurchsatz, kosteneffektive Lösungen, Eignung für redundante Topologien, sicherer Explosionsschutz – so lautete auch früher schon die Wunschvorstellung der optimalen Lösung zur Anbindung von Signalen in Prozessanlagen. Frühe Feldbuslösungen, die einen Teil der Anforderungen erfüllten, standen bereits 1987 sogar für explosionsgefährdete Bereiche mit Remote-I/O-Technik zur Verfügung. Sie trafen aber noch auf verhaltene Resonanz bei Anwendern. Mit dem Profibus DP wurde Jahre später dann ein leistungsfähiges, praxisgerechtes Protokoll für die Remote-I/O-Technik eingeführt. Leider jedoch wies es keine Lösung für explosionsgefährdete Bereiche auf. Der dafür ausgelegte Profibus PA in seiner eigensicheren Ausführung wiederum war mit 31,25 kBit/s für die bei Remote I/O üblichen Datenmengen und die erforderlichen Übertragungsraten viel zu behäbig. R. Stahl entwickelte daraufhin den eigensicheren Profibus DP alias RS485-Ex i und stellte diese Lösung 1995 in Form des verbesserten Remote I/O-Systems ICS MUX / VOS200 vor. Die firmenspezifische Entwicklung wurde schließlich leicht modifiziert im Jahr 2003 von einer PNO-Arbeitsgruppe unter dem Namen RS485-IS in einen Profibus-Standard überführt.

Die meisten modernen explosionsgeschützten Remote-I/O-Systeme setzen derzeit diesen eigensicheren Profibus DP ein. Inzwischen findet dabei sogar immer öfter Lichtwellenleitertechnik Verwendung – auch diese in explosionsgeschützter Ausführung. Die hohen Signalmengen, die für prozesstechnische Anwendungen typisch sind, lassen sich so prinzipiell gut bewältigen. Zumindest theoretisch sind bis zu 2000 Signale über ein Bussegment übertragbar. Leider aber erfordert die Umsetzung der Profibus-Daten in die Infrastruktur einer Anlage einen erheblich Aufwand an Soft- und Hardware, außerdem natürlich entsprechend geschultes Personal. Damit ergeben sich letzten Endes hohe Kosten. Mit Industrial Ethernet stünde hier eine unter dem Strich preiswertere, einfachere und effektivere Lösung zur Verfügung. Profibus International und Fieldbus Foundation arbeiten daher intensiv daran, ihre Ethernet-basierten Lösungen (ProfiNet einerseits, FF HSE andererseits) um die Belange der Prozessautomatisierung zu ergänzen. Beide Gruppen definieren dazu u. a. Spezifikationen wie Remote I/O-Techniken über das jeweilige Ethernet an Automatisierungssysteme angekoppelt und in die Systemstrukturen eingebunden werden. Es wird erwartet, dass 2009 entsprechende Lösungen zur Verfügung stehen. Die Spezifikation für ein Ethernet-Remote-I/O ist jedoch nur die eine Seite – auch die Kopplung an Prozessleitsysteme muss natürlich gewährleistet werden. Nach heutigem Stand unterstützen nur die wenigsten Systeme ProfiNet oder gar FF HSE im Bereich der Prozessautomatisierung. Es ist zu vermuten, dass auch dies sich in den nächsten Jahren ändern wird.

Einstweilen aber muss man nicht unbedingt auf diese Ethernet-Lösungen warten. Im Gegensatz zu den in der Entwicklung befindlichen Protokollvarianten beherrschen die meisten Leitsysteme, z. B. Emerson Delta V oder Yokogawa Centum CS, mit dem Modbus TCP längst schon ein einfaches und doch effektives Ethernet-Protokoll. Installationen für nicht-explosionsgefährdete Bereiche, die zur Kommunikation auf den Modbus TCP setzen, existieren bereits. Mit dem Remote I/O-System IS1-Ethernet steht nun auch eine Lösung für explosionsgefährdete Bereiche der Zone 1 zur Verfügung, die zudem eine zukunftssichere Perspektive bietet: Die flexible Hardwareplattform des Systems eignet sich nicht nur für den Modbus TCP, sondern wird bei Verfügbarkeit der ProfiNet- und FF HSE-Spezifikationen zukünftig auch mit diesen eingesetzt werden können. Dem Modbus-TCP-Protokoll fehlen zwar standardisierte Mechanismen zur Konfiguration, Parametrierung und Diagnose, ein eigens entwickelter DTM macht IS1-Systeme aber für Standard-FDT-Softwarepakete wie Pactware, Fieldcare oder Fieldmate zugänglich. Auf das bewährte, vielen Anwendern vertraute Modbus-Protokoll in seiner Ethernet-fähigen Version fiel die Wahl aufgrund der hohen Effektivität der Datenübertragung, der sehr einfachen Implementierung und Handhabung sowie der Tauglichkeit für redundante Strukturen. Für die Ethernet-angepasste IS1-Variante wurde das CPU & Power-Modul (IS1 CPM) modifiziert. Es besteht jetzt aus zwei separaten Baugruppen: einer Kommunikationseinheit (CPU) mit PC-ähnlichem Innenleben und einer Versorgungseinheit. Beide Baugruppen bleiben Hot-swap-fähig, können also einzeln im Betrieb unter Spannung in der Zone 1 ausgetauscht werden. Bei den Ein- und Ausgabemodulen hat sich nichts verändert; die bestehenden Ausführungen sowie die bewährte BusRail können auch am Ethernet-System verwendet werden.

IS1 für Ethernet kann sowohl an einem redundanten Ethernet als auch an einem einfachen Ethernet mit Versorgungsredundanz der CPU-Baugruppe betrieben werden. Beim Ausfall einer der Anbindungen schaltet das System binnen 200 ms um – weitaus schneller als dies mit Standard-Ethernet-Mechanismen wie Rapid Spanning Tree möglich wäre. Die Lösung ist daher für nahezu alle kritischen Anwendungen der Verfahrenstechnik einsetzbar. Das System ist für den Einsatz in der Zone 1 bzw. Div. 1 ausgelegt. Die Ethernet-Schnittstelle wird mit Lichtwellenleitern herausgeführt, um auch größere Entfernungen zu überbrücken. In der Reichweite und Störfestigkeit stellen LWL selbst hochwertig geschirmte CAT7-Twisted-Pair-Kabel klar in den Schatten, da je nach verwendeter Faser Entfernungen von 2000 m oder sogar länger möglich sind. Als Zündschutzart kommt die sogenannte optische Eigensicherheit zum Einsatz, die als „op is“ in der IEC60079–28 beschrieben ist. Das Prinzip der eigensicheren optischen Strahlung ist der elektrischen Eigensicherheit sehr ähnlich. Es basiert auf der Begrenzung der optischen Energie in einem System, hier also im Lichtwellenleiter, im normalen Betrieb und unter Fehlerbedingungen. Eigensichere Lichtwellenleiter bieten große Flexibilität: Sie lassen sich im Betrieb im Ex-Bereich verbinden und trennen und erlauben so, Installations- und Wartungsarbeiten wie bei normalen Gerätschaften. Die erforderliche Trennstufe – bei LWL-Architektur also ein Ex-op-is-Switch – ist ebenfalls erhältlich.

cav 425

Remote-I/O-System

SPS/IPC/Drives 2007

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