Unüberwindbare Hürde

Dipl.-Ing. Tim-Peter Henrichs

Sowohl Profibus-PA als auch Foundation Fieldbus arbeiten nach der IEC 61158-2 und nutzen den Voltage-Mode mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 31,25 kBit/s. Hierbei werden die Datenpakete für die Feldbusteilnehmer auf die Versorgungsspannung aufmoduliert und über eine geschirmte Zweidrahtleitung übertragen. Diese Busphysik bietet einen entscheidenden Vorteil: Feldbuskommunikation und Spannungsversorgung der Busteilnehmer lassen sich über ein einziges Kabel durchführen.

In der Busphysik unterscheiden sich beide Feldbusprotokolle durch die Einbindung an die heute auf dem Markt befindlichen Leitsysteme. Alle anderen Komponenten können in beiden Bussystemen gleichermaßen eingesetzt werden. Jedes Segment benötigt eine Energieversorgung. Spezifizierte Feldbuskabel verbinden den Host mit dem Feld. Mit unterschiedlichen Verteilerbausteinen lassen sich alle bekannten Topologien aus der Netzwerktechnik realisieren, womit sich diese Feldbusse jeder Anlagenstruktur anpassen können. Ein Segment muss an beiden Enden mit Abschlusswiderständen ausgestattet sein, um eventuelle Reflexionen zu vermeiden.

Für die Stromversorgung von Feldbusteilnehmern im Ex-Bereich wurde das Field Intrinsic Safe Concept-Modell (Fisco) entwickelt. Dieses erlaubt dem Anwender, den Feldbus in der Zone 1 mit vertretbarem Aufwand zu installieren und einzusetzen. Der Nachweis der Eigensicherheit bei Feldbussystemen ist durch das Fisco-Modell vereinfacht worden. Eigensichere Netze können ohne aufwändige Berechnung projektiert, erweitert und ohne Systembescheinigung betrieben werden. Turck unterstützt mit diversen Fisco-Produkten unterschiedliche Installationskonzepte im eigensicheren Bereich. Dort hat sich eine Segmentstruktur durchgesetzt. Durch den Einsatz von Multibarrieren lässt sich ein Bussegment für den Ex-Bereich mit den gleichen Segmentstrukturen wie im nicht eigensicheren Bereich aufbauen.

Die Energieeinspeisung des Physical Layers wird im Nicht-Ex-Bereich, sprich im Schaltraum, platziert. Die Segmentleitung unterliegt den Bestimmungen der erhöhten Sicherheit (Exe). An diese Busleitung können nun Verteilbausteine (Multibarriere) angeschlossen werden, die die Exe-Leitung auf jeweils 4 Exi-Stichleitungen herunter brechen. Dadurch ist es möglich, auch die Energie für Segmente, die für große Distanzen ausgelegt sind, zu liefern.

Multibarrieren gibt es in verschiedenen technischen Lösungen. Die einfachste Variante trennt den Exe- vom Exi-Bereich durch ein Zehnerdioden-Konzept. Doch diese technische Lösung brachte Kommunikationsprobleme in der Realität, so dass es seit einigen Jahren Multibarrieren für den Feldbus auf dem Markt gibt, die die Bushauptleitung von den Stichleitungen galvanisch trennen. Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Stichleitungen mit den damit verbundenen Problemen für den Feldbus werden dadurch aber immer noch nicht verhindert (Bild 2, links). Turck hat jetzt mit der MBD-…-T415/Ex ein Multibarrierenkonzept im Programm, das Exi-Stichleitungen von bis zu 120 m Länge erlaubt. Dadurch lassen sich Geräte, die örtlich weit voneinander entfernt sind, an einen Exi-Sternpunkt anschließen.

Um nun durch Potenzialunterschiede entstehende Ausgleichströme zu verhindern, sind die einzelnen Exi-Stichleitungen der MBD-…-T415/Ex zusätzlich untereinander galvanisch getrennt.

Aus Sicherheitsgründen spielt die galvanische Trennung bei einer Signalführung im Ex-Bereich eine große Rolle. Die Multibarriere stellt vier eigensichere und galvanisch getrennte Ausgänge zur Verfügung. Die allseitig galvanische Trennung besteht sowohl zwischen der Trunk-line und den Ausgangskreisen als auch zwischen den vier Ausgangskreisen untereinander. Die in der Industrie geforderte galvanische Trennung bei eigensicheren Kreisen, besonders für die Zone 0, ist damit gegeben.

Neben der erhöhten EMV-Störfestigkeit verhindert die beidseitige galvanische Trennung Potenzialverschleppungen und -ausgleichsströme und gewährleistet somit eine sichere Datenübertragung. Die vier Ausgänge der Multibarriere liefern dabei jeweils einen Ausgangsstrom von 40 mA.

Die allseitige galvanische Trennung der Turck-Multibarriere erhöht die Betriebssicherheit, Verfügbarkeit und verringert im Fehlerfall die Inbetriebnahmezeit. Um eine verfahrenstechnische Anlage modern zu halten, werden ständig Änderungen bzw. Verbesserungen durchgeführt. Dies schließt aber nicht aus, dass jegliche Umbauten den Feldbus Physical Layer mit den oben schon erwähnten Effekten beeinflusst. Die doppelte galvanische Trennung beugt somit zukünftigen Überraschungen vor, da Störungen auch Jahre nach der Inbetriebnahme auftreten können.

Die Betriebsbereitschaft des Bussystems muss auch bei Ausfall bzw. Fehlverhalten eines Busteilnehmers gewährleistet sein. Tritt bei einem Feldbusteilnehmer ein Kurzschluss auf, kommt der integrierte Kurzschlussschutz zum Tragen. Es wird jeweils nur der entsprechende Ausgang abgeschaltet, die Hauptleitung und die anderen Ausgänge des Feldbussegments bleiben betriebsbereit. Die örtliche Indikation eines Kurzschlusses erfolgt kanalweise über eine rote LED im Inneren des Gehäuses. Somit wird der Servicetechniker optisch zu den fehlerhaften Stichleitungen hingeführt. Dies erspart die Fehlermessung, die nicht mit den heutigen Messgeräten im Ex-Bereich durchführbar ist.

Industrielle Umgebungsbedingungen sind häufig rau und aggressiv. Daher ist ein auf diese Verhältnisse abgestimmtes Gehäuse gefordert. Die hohe Schutzart IP 66 und das spezielle Gehäusematerial (Aluminium-Druckguss) – in Verbindung mit der vergossenen Modulelektronik – stellen sich den Anforderungen und gewährleisten eine hohe Betriebssicherheit. Eine direkte Montage der Multibarriere in der Anlage ist damit unproblematisch. Die EExe-Kabelverschraubungen garantieren in Verbindung mit hochwertigen Federzugklemmen eine sichere und schnelle Verbindungstechnik. Zur Ableitung von evtl. auftretenden Störspannungen auf dem Kabelschirm, sind die Schirmklemmen kapazitiv mit dem Gehäusepotenzial verbunden. Der eingepresste Erdungsbolzen verbindet das Gehäuse mit dem Hauptpotenzialausgleich.

Die Datenübertragung auf Busleitungen wird häufig durch Reflexionen beeinflusst, die durch nicht terminierte Busenden auftreten können. Um diese zu vermeiden, muss der Feldbus an beiden Enden mit einem Busabschlusswiderstand versehen werden. Die Multibarriere verfügt über einen integrierten Abschlusswiderstand, der dann zu aktivieren ist, wenn die Multibarriere das letzte an der Trunk-line angeschlossene Gerät ist. Da jede Multibarriere einen zuschaltbaren Abschlusswiderstand besitzt, ist eine zukünftige Segmenterweiterung ohne größeren Aufwand möglich. Die maximale Leitungslänge eines Segmentes kann 1900 m betragen.

In Regionen mit starken Temperaturschwankungen und differierendem Luftfeuchteanteil kann es während des Betriebs zur Kondensatbildung im Inneren des Gehäuses kommen. Die Multibarriere ist zur Vermeidung solcher Ansammlungen auf der Kabelanschlussseite mit einem Druckausgleichselement ausgestattet. Das Druckausgleichselement ist in Schutzart IP 67 ausgeführt und gewährleistet die dauerhafte und zuverlässige Be- und Entlüftung der Multibarriere. Die ePTFE-Membrane im Inneren des Stutzens besitzt einen sehr hohen Wassereintrittsdruck und ist Öl abweisend. Auch Salzkristalle werden zu 100 % zurückgehalten.

cav 401

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