Bindeglied zwischen Prozesssteuerung und Feldgeräten

Profinet-basierter Proxy für Profibus PA-Feldgeräte

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Seit zwei Jahren arbeitet Phoenix Contact an einer Automatisierungslösung, die die Architekturanforderungen sowohl der deutschen Chemie- und Pharmabranche mit NOA, als auch der amerikanischen Open Process Automation unterstützt. Der modular aufgebaute Proxy bildet das Bindeglied zwischen der Prozesssteuerung sowie den intelligenten Feldgeräten und I/Os.

Phoenix Contact ist bekannt als Technologieführer in der Verbindungstechnik – sei es auf der Leiterplatte oder der Hutschiene im Schaltschrank. In prozesstechnischen Anlagen kommt die Konnektivität über viele Jahrzehnten entweder zum Anschluss an Feldgeräte oder I/O-Karten der Prozessleitsysteme zum Einsatz. Nach dem Einzug von Elektrik und Elektronik hat sich die Feldbustechnik – teils auf Empfehlung der Namur – ebenfalls entwickelt und ist in neue Anlagen implementiert worden. Entsprechend wurde das Produktportfolio von Phoenix Contact ausgebaut. Auf der einen Seite sollten so die Applikationsanforderungen und Anwenderbedürfnisse erfüllt werden. Andererseits hat das Unternehmen die Neuerungen der Halbleitertechnologie sowie die Miniaturisierung der elektronischen Bauteile in industriespezifische Komponenten und Lösungen umgesetzt. Vor rund 30 Jahren begann Phoenix Contact mit der Entwicklung und Produktion von Feldbustechnologien für den Maschinenbau und die Fabrikautomation. Sofern den Anforderungen der jeweiligen Branche entsprochen wird, ziehen die Digitalisierung sowie Ethernet-basierte Technologien seither in zahlreiche Applikationen ein.

Stetige Optimierung

Auf der Achema 2018 stellte Phoenix Contact erstmalig mit dem Profinet-basierten Proxy für Profibus PA-Feldgeräte eine prozesstechnische Automatisierungslösung vor. Bis dahin konnten die Profibus PA-Geräte nur über einen Profibus DP/PA-Koppler an die Steuerungen angebunden werden. Die innovative, modular aufgebaute Lösung koppelt die Feldgeräte nun per S2-Redundanz an die Prozessleitsysteme ABB 800xa respektive Siemens PCS 7–400 an. Darüber hinaus umfasst der Proxy redundante, steckbare Stromversorgungen, die bis zu acht Segmente gemäß dem High-Power-Konzept beliefern können. Er erfüllt zudem die aktuellen Anforderungen der internationalen Profibus- und Profinet-Standards und soll auch in den nächsten Jahren weiterentwickelt werden, sodass die Ergebnisse der derzeit in der Nutzerorganisation laufenden Gremienarbeit hinsichtlich FDI (Field Device Integration), OPC UA und E-APL (Ethernet-Advanced Physical Layer) in das Gerät einfließen. Der modulare Aufbau des Proxys erlaubt die Installation von weiteren Segmenten während des laufenden Betriebs nach der sogenannten Dynamic Reconfiguration (DR), vormals bekannt als Configuration in Run (CiR).

Die zur Prozessautomatisierung eingesetzten Komponenten finden sich im Umfeld von Erdgas-Pipelines im kalten Sibirien ebenso wie an Bohrlöchern auf der arabischen Halbinsel, wo selbst in der Nacht noch Temperaturen von mehr als 40 °C herrschen. Die Geräte müssen also widrigen Umgebungsbedingungen genügen. Zur langfristigen Überwachung derartiger Applikationen ist der Profinet-basierte Proxy im Rahmen von Halt (Highly Accelerated Life Test) stetig optimiert worden. Das Gerät wurde somit intensiv beansprucht, damit eine lange Haltbarkeit und ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt sind. Die Prüfung läuft dabei so lange, bis ein Fehler auftritt. Typischerweise stellen sich Komponenten als das schwächste Glied des Schaltkreises heraus, weshalb das fehlerhafte durch ein verbessertes Gerät ersetzt wird. Dann startet der Test erneut, bis die nächste Schwachstelle identifiziert ist.

Einige der in der Prozesstechnik gültigen Industriestandards, die weltweit zu erfüllen sind, kommen ursprünglich aus den USA. Als Beispiele seien die G3-Prüfung des ANSI/ISA-Standards hinsichtlich des zuverlässigen Betriebs in Anlagen mit Luftschadstoffen sowie die Zertifizierung gemäß
UL Class I Division 2 genannt, die ergänzend zur europäischen Norm Atex und der internationalen Version IECEx für den Explosionsschutz herangezogen wird.

Schutz vor Kurzschluss

Die Profibus PA-Daten lassen sich über ein geschirmtes zweiadriges Kabel übertragen, wobei eine Entfernung von maximal 1900 m zwischen dem Feldgerät und der Steuerung überbrückt werden kann. Laut Spezifikation sind bis zu 32 Teilnehmer pro Segment ankoppelbar. In der Regel integrieren die Anlagenbetreiber jedoch lediglich acht bis zehn Feldgeräte. Neben der Steuerung und teuren Feldgeräten werden teilweise einfach Anschlusskonzepte für die Kopplung zwischen der I/O- und Steuerungsebene verwendet. Da über die zweiadrige Feldverkabelung sowohl Daten als auch Strom fließen, kommt Interface-Technik zum Schutz vor Kurzschluss, Überspannung oder Fehlern in einzelnen Feldgeräten zum Einsatz. Nur so lassen sich unerwünschte Ereignisse schnell detektieren, beseitigen und damit die Systemverfügbarkeit erhöhen. Leider resultieren einige Fehler aus der Handhabung durch das Bedienpersonal. Die Nutzung von Kopplern bewirkt hier eine höhere Funktionalität der verschiedenen im Profibus PA-Segment installierten Feldgeräte.

Die Koppler müssen die einzelnen Signale der Feldgeräte begrenzen können. Darüber hinaus sollen sie in Zone-1-Applikationen Kurzschlüsse und Überspannung schnell erkennen, ohne gleichzeitig alle anderen Feldgeräte abzuschalten. Weil Kurzschlüsse nicht permanent vorhanden sind, verlangen die Anwender, dass die Koppler ständig autonom versuchen, die entsprechenden Feldgeräte wieder einzuschalten. Dazu sind in der Zone 1 Leistungsspitzen notwendig, weshalb eine besondere Aufteilung im Schaltkreis des Kopplers dafür sorgt, dass nur vier Gruppen von Feldgeräten gestartet werden können. Die nächste Gruppe wird dann mit einer Zeitverzögerung eingeschaltet. Somit lassen sich sämtliche Anschlüsse mit Feldgeräten besetzen.

Hohe Kanaldichte

Von einem Spezialisten für Prozess-Interfaces erwarten die Anwender, dass auch einfache I/Os inklusive Namur-Näherungsschalter sowie Hart- oder Modbus-RTU-Geräte an ein Profibus PA-Netzwerk angebunden werden können. Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact gemeinsam mit namhaften Herstellern aus der chemischen Industrie verschiedene modulare, nachträglich erweiterbare Lösungen entwickelt, sodass sich alle Felddaten über das Profibus-PA-Kabel an die Steuerung übertragen lassen. Mit einer festen Profibus-PA-Adresse ausgestattet, kann der PA-I/O-Multiplexer die Daten von bis zu 24 I/Os in einem PA-Telegramm verschicken. Dabei verfügt das Gerät über eine Kanaldichte von lediglich 6 mm pro I/O-Signal.

Nicht jedes Feldgerät ist mit einer Profibus-PA-Schnittstelle erhältlich. Daher installieren die Betreiber zum Teil Geräte, die via Modbus RTU oder Hart kommunizieren. Der Multiplexer kann die Eingangssignale von maximal vier solcher Geräte in Profibus PA umwandeln und bietet hier ebenfalls eine Signaldichte von weniger als 6 mm
pro Gerät.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav1019phoenix


Autor: Arnold Offner

Strategic Marketing Manager Process Automation
Infrastructure,

Phoenix Contact

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