Anlagenbau & Prozesstechnik

Feldbuskoppler

Skalierbar für mehr Planungssicherheit und Anlagenverfügbarkeit

29.05.2012 -

CITplus - Aufgrund des zunehmenden Wettbewerbs werden Betreiber gezwungen, ihre Anlagenverfügbarkeit zu maximieren. Gleichzeitig sollen Neu-Anlagen termingerecht geplant, montiert und in Betrieb gesetzt werden. Welche Technologietrends unterstützen die Betreiber bei diesen Herausforderungen? Phoenix Contact hat eine Generation von Feldbuskopplern mit neuem Funktionsumfang entwickelt, die sowohl Planern, aber auch Betreibern mehr Flexibilität und Funktionalität bieten.

Prozessleitsysteme sind der Kern in modernen Automatisierungslösungen. Nutzergerechte Anzeige- und Bedienebene, Steuerung, Alarm-Handling und Dokumentation gehören zum Standard-Funktionsumfang. Im Automatisierungsmarkt für die Prozessindustrie hat die Leittechnik allein einen Umsatzanteil von 15 - 20 %.
Die wesentlichen Eigenschaften der Leittechnik sind Echtzeitfähigkeit, Interoperabilität und hohe Verfügbarkeit. Echtzeitfähigkeit ist eine wichtige Forderung, um den Prozess zu beherrschen. Die Steuerung muss in der Lage sein, innerhalb der vorgegebenen Zeitspannen des Prozesses die erforderlichen Steuer- und Regelfunktionen auszuführen. Die Interoperabilität oder Offenheit der Leittechnik erlaubt es, Komponenten verschiedener Hersteller zu verwenden. Über einheitliche Schnittstellen erfolgt der Datenaustausch und der Betreiber kann die Komponenten frei auswählen, die am besten zu seinen Einsatzbedingungen passen. Die Verfügbarkeit der Steuerungstechnik ist unerlässlich, da die komplexen Prozesse in der Verfahrenstechnik nicht unterbrochen werden dürfen. Wird der Prozess auch nur kurz angehalten, sind Fehlchargen oder ein teures Wiederanfahren die Folge. Deshalb sind die wesentlichen Komponenten im Leitsystem wie CPU, Stromversorgungen oder Bediengeräte redundant ausgelegt.

Aufbau Leittechnik
Die Struktur der Leittechnik besteht aus der zentralen Bedien- und Steuerungsebene in der Leitwarte und den abgesetzten prozessnahen Komponenten (PNK), das sind die Sensoren und Aktoren. Die PNK sind in der Regel über einen Systembus mit der zentralen Steuerungsebene verbunden. Dieser Systembus kann analoge Signale (4...20 mA oder 24 V DC) in einem Multipolkabel übertragen oder aus einem zwei-Leiter-Kabel mit digitaler Signalübertragung und integrierter Hilfsenergie (Feldbus) ausgeführt sein. Um nun die Anforderungen an die Verfügbarkeit des Gesamtsystems sicherzustellen, müssen natürlich die PNK ähnliche Anforderungen wie das Prozessleitsystem erfüllen. Durch interne Diagnose müssen sich die Komponenten selbst überwachen, damit Fehler erkannt werden, bevor diese zum Ausfall der Komponenten führen. Das Design soll rückwirkungsfrei gestaltet sein. Eine fehlerhafte Komponente darf die Gesamtfunktion nicht beeinträchtigen. Insbesondere sollen sich die Komponenten ohne Anlagenstopp austauschen lassen.
Mit der Nutzung der IEC-Feldbusse (H1 Fieldbus, Profibus PA) ist jetzt erstmalig auch die Überwachung des so genannten „Physical Layers", also der Verdrahtung möglich. Es wird die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften in der Signalübertragung detektiert, bevor die Signalübertragung abbricht. Durch diese Funktionalität ist die Sensor/Aktor-Ebene auf einem vergleichbaren Verfügbarkeits-Niveau wie die Leittechnik.
Eine Herausforderung in der Signalübertragung sind die Feldbuskoppler (Feldbusbarrieren), also die Geräte, welche das Feldgerät mit dem Feldbus verbinden. Die Schwachstelle der Feldbuskoppler ist ihre Granularität, d.h. in einer Box werden vier, sechs oder acht Sensorsignale gleichzeitig verarbeitet. Wenn nun ein Übertragungskanal (Spur) defekt ist, muss der ganze Feldbuskoppler getauscht werden. Während des Austausches stehen dann aber auch die nicht betroffenen Sensorsignale der Box nicht zur Verfügung. Deshalb sind die Anforderungen an die Verfügbarkeit nicht erfüllt.
Ist ein Kanal des mehrkanaligen Kopplers defekt, muss der gesamte Koppler ersetzt werden. Dazu wird während des Tauschvorgangs das komplette Bussegment vom Netz getrennt. Das bedeutet im schlimmsten Fall einen Anlagenstopp und das Wiederanfahren der Anlage. Eine einfache Netzwerkkomponente kann somit einen Produktionsstopp verursachen.
Hinzu kommt, dass Anlagen während des Lebenszyklus optimiert und ausgebaut werden. Zum Teil geht es darum, an anderer Stelle einen weiteren Sensor oder Aktor zu installieren. Daher werden die mehrkanaligen Blöcke in der Regel so ausgelegt, dass etwa 15-25 % der Anschlüsse als Reserve dienen. Das bedeutet eine teure Investition in eventuell ungenutzte Signalreserve!

Mehr Flexibilität durch skalierbare Feldbuskoppler
Was sind skalierbare Feldbuskoppler? Der Feldbus-Trunk wird in der Schutzart Ex e an den Trunk-Koppler angeschlossen. Der Trunk-Koppler stellt die Ex-Trennung zu den einzelnen Kanälen (Spurs) sicher. Jetzt wird die Installation um die benötigte Menge von Spur-Kopplern erweitert. Dazu werden die Spur-Koppler auf eine anreihbare Trägerplatte gesteckt. An diese Spurs koppelt der Anwender die feldbusfähigen Sensoren und Aktoren an. Jeder Spur-Koppler ist einzeln galvanisch getrennt. Der Systemausbau mit Spur-Kopplern kann im laufenden Betrieb und sogar bei der Montage im Ex-Bereich erfolgen.
Die skalierbaren Feldbuskoppler lassen sich also einfach im laufenden Betrieb Kanal für Kanal austauschen. So wird die aus der Parallelverdrahtung bewährte Single Loop Integrity jetzt auch bei Feldbussystemen erreicht. Durch diesen neuen Ansatz lässt sich die PNK-Installation nun effizient und verfügbar gestalten. In der Planung muss der Anwender lediglich in etwa wissen, wie viele Sensoren und Aktoren erforderlich 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.

Zukünftige Anforderungen für ­sicherheitsgerichtete Applikationen
In Zukunft wird die sicherheitsgerichtete Signalübertragung im Feldbus durch FF SIF oder Profisafe Einzug halten. Dabei handelt es sich um Sicherheitsprotokolle, die eine SIL3-Implementierung gemäß IEC 61508 erlauben. Der Vorteil ist, dass die zwischen DCS (Distributed Control System) und Feldgerät ablaufenden Prozesse nicht in die SIL-Betrachtung einfließen müssen. Vielmehr sorgen diese Protokolle dafür, dass sämtliche in den PNK auftretenden Signalverfälschungen sicher erkannt werden und die Anlage dann in den sicheren Zustand schaltet. Doch was nützt diese Funktionalität, wenn das Segment mit seinem Feldbuskoppler beim Auswechseln vom Netz getrennt werden muss und die sicherheitsgerichteten Signale während des Austauschs nicht verfügbar sind? Auch unter diesem Aspekt bietet nur der skalierbare Feldbuskoppler die Funktionalität, die in kontinuierlich betriebenen Anlagen gefordert wird.

Fazit
Im Vergleich zur Parallelverdrahtung verschlechtern Feldbussysteme die Verfügbarkeit der Prozessleittechnik, weil der Anwender das gesamte Bussegment vom Netz trennen muss, um eine defekte Komponente zu ersetzen. Skalierbare Feldbuskoppler lassen sich einfach im laufenden Betrieb austauschen oder erweitern, sodass die aus der Parallelverdrahtung bewährte Single Loop Integrity auch im Feldbussystem gesichert ist. Skalierbare Koppler kombinieren den Einsatz von Feldbustechnik mit hoher Verfügbarkeit. Das Gesamtkonzept ist also praxisnah plan- und installierbar, aber auch flexibel austausch- und erweiterbar.

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Erste Praxistests
Diese neue Funktionalität der Feldbuskoppler-Generation von Phoenix Contact wurde zunächst in Anlagenerweiterungen installiert. Diese Montageart stellt hohe Anforderungen an die Flexibilität der neuen Gerätetechnik. Die Feldbuskoppler werden in die bestehenden Installationen integriert und müssen danach mit den bauseitig vorhandenen Geräten fehlerfrei funktionieren. Diese ersten Praxistests sind positiv verlaufen.

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