Der Feldbus kommt in Fahrt

MSR/Automatisierung Der Feldbus kommt in Fahrt

08.02.2007Redakteur: Redaktion PROCESS

Lange Zeit war es still um das Thema Feldbus geworden. Noch vor drei Jahren lauteten die Stimmen der Anwender: „mangelnde Auswahl bei feldbustauglichen Geräten“ oder „keine wirkliche Interoperabilität“. Dass heute die Automatisierungslandschaft ganz anders aussieht, ist nicht zuletzt dem vereinten Engagement von Anwendern und Herstellern zu verdanken.

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Stand vor fünf Jahren der Anwender vor der Wahl zwischen der Feldbustechnologie und der 4...20 mA-Signalübertragung, fiel die Entscheidung oft genug auf die bewährte Technologie. Immerhin gibt es schätzungsweise weltweit über 30 Millionen Geräte mit 4...20 mA-Signalübertragung. Und dank Hart sind selbst mit einfacher Technik viele Optionen möglich. Die interessanteren Chancen bietet jedoch erst die Feldbustechnik.

Da die Feldbustechnik neue Strukturen einfordert und viele Anwender die bisherige Aufteilung zwischen Schaltschrank (für Steuerung und Schnittstellen) und Feld (Sensoren und Messgeräte) verlassen müssen, wurde das Thema Feldbusse in der Prozessindustrie sehr zurückhaltend beurteilt. Ganz zu schweigen von den Schwierigkeiten, die es beim Aspekt von eigensicheren Anlagen zu bewältigen gab.

Angesichts der erheblichen betriebswirtschaftlichen Vorteile der Feldbustechnik und dank einiger Vorreiter wird seit kurzem zunehmend der Feldbus als Kommunikationslösung in Chemieanlagen eingesetzt. Und die Bilanz ist durchweg positiv. Erfolgreiche Projekte (siehe PROCESS Ausgabe 1-2005), wie die Ketek-Anlage in Frankfurt bei Sanofi-aventis, die Vitex-Anlage in Basel bei DSM, Novartis Pharma in Basel, aber auch die Purpur-Anlage bei Clariant in Frankfurt, beweisen, dass der Feldbus in der Prozessindustrie längst seinen Pilotcharakter verloren hat. „Wir schätzen, dass es derzeit über 500 000 installierte und in Betrieb genommene FF-Geräte gibt, darin sind noch nicht die Anlagen enthalten, die sich derzeit im FEED-Stadium befinden. Die FF-Technologie ist quer durch die Prozessindustrie weltweit zu finden“, hält auch Rich Timoney, Präsident und CEO der Fieldbus-Foundation fest.

Vielfältiges Potenzial

Sah man vor Jahren die Hauptgründe noch beim Einsparen von Installationskosten, hat sich der Fokus entscheidend geändert. „In einer Studie hat Shell abgeschätzt, dass in einem typischen petrochemischen Komplex die Kosten für die Instandhaltung dank einer erweiterten Diagnose durch die Feldbustechnologie signifikant gesenkt werden können.

Ein Beispiel: Ein Prozent weniger Fixkosten bei der Instandhaltung bedeutet, eine Einsparung von rund vier Millionen Dollar erreichen zu können”, bestätigt Rich Timoney. „Die Einsparungen werden typischer Weise in den CAPEX (Capital Expenditure, Investitionskosten) und OPEX (Operational Expenditure, Betriebskosten) erreicht, wobei die Einsparungen bei den Betriebskosten die interessanteren Möglichkeiten bieten.“ Dazu zählen auch Kosten, die durch unvorhergesehene Abschaltungen verursacht werden. Diese lassen sich durch vorbeugende Instandhaltung und die höhere Systemverfügbarkeit durch die Verlagerung der Intelligenz ins Feld erreichen.

„Feldbussysteme ermöglichen Kosteneinsparungen sowohl in der Planungsphase, beim Engineering, beim Bau der Anlage als auch im Betrieb“, unterschreibt Dr. Peter Wenzel, Geschäftsführer Technik der Profibus Nutzerorganisation (PNO), und betont gleichzeitig das Potenzial bei komplexen Anlagen. „Gerade bei den Hybrid-Anwendungen in der Pharma-, Chemie- und Kosmetikindustrie wird der Ruf nach nahtlos vernetzten Produktionslandschaften immer lauter. Je durchgängiger eine Lösung und je größer die Anwendungsbreite, desto größer ist das Einsparpotenzial, das mit einer Feldbuslösung erzielt werden kann. Profibus ist der einzige Feldbus, der eine durchgängige Lösung für alle Bereiche der Fertigungs- und Prozessautomatisierung bietet.“

Besonders vielversprechend sind die vielfältigen Möglichkeiten in puncto Diagnose. Um dem Anlagenbediener nicht mit unnötigen und schwer interpretierbaren Informationen zu überfrachten, müssen nach der Namur-Empfehlung NE 107 eindeutig spezifizierte einheitliche Statusmeldungen zur Verfügung stehen: Funktionskontrolle (ungültiges Ausgangssignal durch Funktionsstörung im Feldgerät oder seiner Peripherie), Wartungsbedarf (gültiges Ausgangssignal, aber erschöpfter Abnutzungsvorrat), außerhalb der Spezifikation (Betrieb außerhalb der spezifizierten Einsatzbedingungen) und Ausfall (ungültiges Ausgangssignal aufgrund von Funktionsstörung im Feldgerät oder seiner Peripherie) des Messgerätes. Die PNO hat diese Vorgaben umgesetzt. So können über die genannte Klassifizierung hinaus detaillierte Diagnoseinformationen zur Verfügung gestellt werden. Mit geeigneten Funktionen im Leitsystem oder Plant Asset Management System kann damit eine individuelle Benachrichtigung unterschiedlicher Adressaten (etwa Bediener und Wartungspersonal) ermöglicht werden.

Die Basis wird breiter

Generell haben sich die Rahmenbedingungen verbessert. Die Auswahl an feldbusgeeigneten Geräten wird immer breiter und mit der existierenden IEC-Norm 61158 wurde eine gute Basis geschaffen. Zwei Aspekte haben den Einsatz der Feldbusse in der europäischen Prozessindustrie vorangetrieben. Zum einen die Furios-Studie (Feldbus und Remote I/O - ein Systemvergleich), in der 2002 eindeutig die Überlegenheit des Feldbusses gegenüber Remote I/O festgestellt wurde.

Zum anderen gelang mit dem Einsatz der Feldbusbarriere, die Vorteile der Feldbustechnik auch in explosionsgefährdeten Bereichen in vollem Umfang zu nutzen. „Aufgrund der Energiebeschränkung bei Explosionsschutz durch Eigensicherheit konnten bei den bisherigen Feldbuskonzepten wie Entity oder FISCO deutlich weniger Feldgeräte an einem Feldbussegment betrieben werden als im sicheren Bereich, wo die Grenzen nur durch die Feldbusnorm IEC 61158-2 gegeben sind“, erklärt Thomas Kasten, Produkt Marketing Manager bei Pepperl + Fuchs, Mannheim. Zudem waren weitere Einschränkungen zu beachten, wie die Reduzierung der maximal möglichen Kabellängen. „Mit der Feldbusbarriere wird es nun möglich, eine hohe Energie einzuspeisen und dadurch die maximale Geräteanzahl und Netzwerkausdehnung gemäß Norm auch im Ex-Bereich zu erreichen. Weiterhin bieten moderne Feldbusbarrieren Schutzmechanismen wie eine individuelle Kurzschlussstrombegrenzung für jeden Ausgang, so dass im Fehlerfall die Kommunikation der nicht betroffenen Feldbusteilnehmer sichergestellt bleibt.“ Dies kommt der Forderung der Anwender nach hoher Verfügbarkeit und Betriebssicherheit entgegen. Weitere Funktionalitäten wie die Möglichkeit zur kapazitiven Erdung machen den Feldbus auch unter dem Blickwinkel der Investitionskosten sehr attraktiv.

Gemeinsame Aktivitäten

Die Vergangenheit hat gezeigt, dass nur konstruktive Zusammenarbeit das Thema Feldbus voranbringt. Daher ist die Integration von Protokollen anderer Hersteller derzeit ein wichtiger Arbeitspunkt. Das EDDL-Gemeinschaftsprojekt beispielsweise wurde von den vier Nutzerorganisationen und namhaften Herstellern von Leitsystemen initiiert. EDDL, in IEC 61804-2 international genormt, ist eine Integrationsmethodik, mit der Feldgeräte in Automatisierungssysteme eingebunden werden. 1000 Feldgerätetypen von weit über 100 Herstellern werden per EDDL beschrieben, mehr als 15 Millionen darauf basierende FF-, Hart- und Profibus-Feldgeräte sind weltweit installiert. Auf der diesjährigen Hannover Messe wurde ein gemeinsames Team zur Weiterentwicklung der EDDL-Technologie gegründet. Dazu gehören das Erstellen einer Testspezifikation und die Entwicklung von Testprozeduren für einen Compliance Test sowie das Einbringen aller Erweiterungen in die IEC-Standards.

Seit etwa fünf Jahren etablieren sich im industriellen Bereich mehrere Kommunikationssysteme auf der Basis von Ethernet mit Erweiterungen für die Echtzeit. „Nach den Schlüsselmärkten der Fertigungs-Automatisierung und Motion Control-Anwendungen haben wir jetzt Aktivitäten gestartet, um mit einer geeigneten Migrationsstrategie Profinet für den Einsatz in der Prozess-Automatisierung vorzubereiten“, gibt Wenzel die Richtung vor. Bis aber die Ethernet-basierten Systeme in der Prozessautomatisierung bis ins Feld vordringen, wird es noch lange dauern. Schon aus dem Grund, da heute für eigensichere Bereiche noch keine Lösung für Ethernet in Sichtweite ist.

Im Wesentlichen kommen die Ethernet-basierten Systeme aus Europa bzw. den USA. Asiatische Hersteller werden sich im Grunde genommen zwischen Ethernet IP und Profinet entscheiden müssen, wenn sie komplexe Automatisierungsaufgaben lösen wollen. Damit die installierte Basis der Profibus- und anderen Feldbus-Systeme bei Anlagenerweiterungen mit Profinet leicht integrierbar ist, hat ein Arbeitskreis der PNO eine Lösung zur Integration von Interbus in Profinet I/O spezifiziert. Interbus hat sich vor gut einem Jahr für Profinet als Ethernet-Protokoll ausgesprochen. Dahinter steht u.a. die Hoffnung, dass es eines Tages vielleicht auch im Bereich des Ethernets einen Standard geben wird, der von möglichst vielen Herstellern und Komponenten unterstützt wird.

Derzeit laufen Arbeiten, weitere Feldbusse in Profinet I/O nach einem einheitlichen Schema zu integrieren. Im Fokus sind hierbei primär die Feldbusse DeviceNet, CC-Link, CANopen und Foundation Fieldbus.

Regionale Unterschiede

International gibt es einige Unterschiede sowohl in der Akzeptanz als auch im Einsatzgebiet. „Es zeigt sich, dass in Ländern mit starkem Wachstum, wie der mittlere Osten oder China, die Feldbustechnologie stark wächst“, berichtet Timoney. „Hier gibt es enorme Projekte, die tausende Feldgeräte umfassen. Dagegen liegen in ökonomisch schwierigeren Märkten, die über kaum Wachstum verfügen, die Investitionen in Anlagen und Ausrüstungen am Boden, abgesehen von den wirklich notwendigen Ersatzteilbeschaffungen. So bald diese Märkte wieder in ihre Anlagen zu investieren beginnen, wird die Foundation Fieldbus-Technologie eine wichtige Rolle beim Verbessern der Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit spielen“, ist Timoney überzeugt.

Über 20 Millionen Knoten

Mit zusammen über 20 Millionen installierten Knoten besetzen Profibus und Interbus heute bereits 75 Prozent des gesamten Feldbusmarktes. Derzeit verstärkt die PNO ihre internationalen Aktivitäten in Nordamerika sowie China und Südostasien. „Mit breit angelegten Roadshows in Südostasien und China wird der Dynamik der neuen Märkte Rechnung getragen. Stationen waren u.a. Singapur, Kuala Lumpur, Jakarta, Manila und Bangkok sowie verschiedene Industriezentren in China“, berichtet Wenzel. „Die Resonanz auf die Präsentationen war ausgezeichnet: Die zahlreichen Besucher verfügten über ein großes Fachwissen und wollen verstärkt Profibus und Profinet in ihren Anlagen einsetzen.“

Dabei zeigt sich, dass der Feldbus in anderen Ländern bereits zum Alltag gehört. „Speziell im asiatischen Raum gibt es eine ganze Reihe von Anlagen, in denen die Pepperl+Fuchs FieldBarrier zum Teil schon weit über einem Jahr im Einsatz ist. Erwähnenswert sind hier Shanghai Coking in China, Plaju Refinery in Indonesien, die Ölbohrplattformen Shell E11 und F13 in Malaysia sowie Thai Acrylic Fibre in Thailand“, ist die Erfahrung von Kasten. „In Nordamerika ist der Explosionsschutz durch Eigensicherheit vergleichsweise wenig verbreitet, doch auch hier sind Anlagen mit der FieldBarrier in Betrieb wie z.B.: bei Boehringer Chemicals in Virginia und BIOX in Ontario, Kanada. Wesentlich stärker kommen in den USA Anwendungen in Class I, Div. 2 zum Tragen, was in etwa mit unserer Ex-Zone 2 vergleichbar ist. Hier bietet der Pepperl+Fuchs Segment Protector die gleichen Vorteile wie eine Feldbusbarriere in Zone 1, nur entsprechend angepasst an die unterschiedlichen Sicherheitsbetrachtungen der Zone 2.“

Trotz der erfolgversprechenden Installationen hat man den Eindruck, dass die Arbeit erst beginnt. Für Anwender ist die Investitionssicherheit nach wie vor entscheidend. Auch die Integration von Geräten in übergeordnete Netzwerke, NE 105, wird in Zukunft einen wichtigen Aspekt darstellen. Jeder Anwender sollte sich vor dem Einsatz eines Feldbussystems bewusst machen, dass damit ein Know-how-Wechsel in Planung und Instandhaltung einher geht. Wichtige Stichworte sind hier die Örtlichkeit und Funktionalität der Feldgeräte, die die Bustopologie bestimmt.

Hilfreiche Erfahrungen

Hilfreich sind daher die Erfahrungen anderer Anwender oder Service-Unternehmen. So hat der R&M Industrieservice Höchst GmbH (ehemaliges Prüflabor der InfraServ Höchst) beim Ketek-Projekt zunächst ein Testsegment mit den verschiedenen Feldgeräten im Prüflabor der Infraserv Höchst aufgebaut. Darüber hinaus wurden eine Inbetriebnahmestrategie sowie die Schulung der Montage-Mannschaft erarbeitet. „Das Vertrauen der Anwender in die Feldbustechnologie und ihrer Vorteile, insbesondere im Asset Management, bei präventiver Wartung oder bezüglich der Lebenszykluskosten einer Anlage, muss weiter gestärkt werden,“ bekräftigt Kasten. „Aus diesem Grund unterstützen wir Untersuchungen wie die FuRIOS Studie und arbeiten aktiv bei der Profibus Nutzerorganisation und der Fieldbus Foundation mit. FuRIOS nannte bei ihrer Vorstellung auf der Namur-Hauptversammlung 2002 einige Wünsche an die Hersteller, denen mittlerweile Rechnung getragen wird.

So bietet der 2004 vorgestellte, modulare FieldConnex Power Hub eine ganze Reihe von Redundanz-, Isolations- und Diagnosekonzepten zur Optimierung der Feldbus-Verfügbarkeit. Ein weiteres Entwicklungsfeld sind die Fieldbus Process Interfaces zur effizienten Integration konventioneller Signale. FuRIOS stellte 2002 schon fest, das der Feldbus ohne Ventilanschaltbox nicht wirtschaftlich wäre. Seitdem ist die Entwicklung weitergegangen, z.B. mit dem FieldConnex Temperatur Multi-Input und dem Fieldbus-Pneumatic Interface, und sie ist längst noch nicht abgeschlossen. Beide Feldbusorganisationen arbeiten an den Grundlagen zur Einbindung sicherheitsgerichteter Signale, sodass sich auch hier ein interessantes Potenzial eröffnet.“

„Mit dem kürzlich verabschiedeten Amendment „PROFIsafe for PA“ zum Profil für PA-Geräte wird ein optimaler Einsatz von PROFIsafe in der Prozessautomatisierung möglich. Die Regelungen berücksichtigen die Anforderungen der Namur-Empfehlung NE 97 sowie der IEC 61508,“ berichtet Wenzel. Damit ist in Zukunft eine je nach Einsatzfall optimale Ausprägung von Produkten möglich. Darüber hinaus erarbeitet die PNO Diagnosekonzepte zur besseren Unterstützung von PAM (Plant Asset Managment) Systemen.“

In den vergangenen eineinhalb Jahren hat sich die FieldbusFoundation auf die Verbesserung der Technologie konzentriert, wie die graphische Visualisierung, um den Betrieb von komplexen Feldgeräten zu vereinfachen. „Wir arbeiten außerdem mit der OPC Foundation zusammen, um eine robuste Schnittsstelle vom Feldgerät zu der Architektur von OPC mithilfe von EDDL zu erhalten. Damit lassen sich konsistente und vollständige Daten an die OPC-Clients liefern, wie das Alarmmanagement, HMI- und Asset Management-Programme, und zwar ohne kundenspezifische Software. Weiter wird die Fieldbus Foundation an anwenderorientierten Applikationen arbeiten. Wir entwickeln derzeit eine Spezifikation für die Anwendung der FF-Architektur für Sicherheitssysteme. Und wir erwarten die TÜV-Zulassung Ende des Jahres“, zählt Timoney die Arbeitsschwerpunkte der Fieldbus Foundation auf.

Die Entwicklungsziele sind damit erkannt und mit Fiebereifer arbeiten die Organisationen, aber auch die Hersteller daran, dass auch hierzulande der Feldbus zum Standard wird.

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