Die Verbindung steht!

MSR/Automatisierung Die Verbindung steht!

08.02.2007Redakteur: Redaktion PROCESS

Obwohl die Diskussion um den Feldbus mittlerweile mindestens 15 Jahre alt ist, überrascht es, dass die heute eingesetzten Systeme häufig von den ursprünglich angestrebten Zielen noch ein gutes Stück entfernt sind.

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Die Motivation für den Einsatz von Feldbussen war und ist, die durch die in Sensoren und Aktoren eingesetzten Mikroprozessoren neu entstehenden Daten und Informationen ohne zusätzlichen Verdrahtungs- und Installationsaufwand zum Leitsystem oder zur Steuerung zu bringen. Auf diese Zusatzinformationen wurde vor allem deshalb so großer Wert gelegt, weil man sich von ihrer Auswertung Aussagen über den Zustand der Anlage und der Automatisierungskomponenten versprach.

Erst diese automatisch generierten Aussagen erlauben es, die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu steigern und durch vorausschauende, bedarfsgerechte Wartung, Pflege und Instandhaltung der Anlage entlang des gesamten Lebenszyklus erhebliche Ressourcen einzusparen.

Feldbus - Voraussetzung für Asset-Management

Dabei sollte das Feldbussystem durch den reduzierten Verdrahtungsaufwand auch in der primären Investition - den Anschaffungskosten - nicht teurer sein als konventionell verdrahtete Systeme. In der Praxis wurden die limitierenden Faktoren allerdings allzu schnell sichtbar:

Nur offene, genormte Standards geben dem Kunden die Möglichkeit Feldbuskomponenten vieler Hersteller zu kombinieren - aber Normenarbeit, zumal international, dauert lange.Die Vielfalt der Feldgeräte überforderte die Hersteller. Es war beinahe unmöglich alle damals verfügbaren Sensor- und Aktorsysteme gleichzeitig für mehrere Standards „feldbusfähig“ zu machen.Die Systeme offenbarten konzeptionelle Schwächen. Der Ausfall einzelner Komponenten konnte den ganzen Kommunikationsbus lahm legen. Die Geräte mussten zusätzlich zur Feldbuskommunikation auch mit der Spannungsversorgung verdrahtet werden.Aus dieser Situation heraus entstanden Zwischenlösungen, die zwar serielle Kommunikation verwendeten, aber im strengen Sinn der Definition keine Feldbusse waren. Das auf der herkömmlichen20 mA Schnittstelle aufmodulierte Hart-Protokoll ist ein Beispiel. Im Feld oder Schaltschrank montierte I/O-Bausteine mit konventionellen Signaleingängen bis hin zu modularen Remote I/O-Systemen sind weitere. Die oben genannten Vorteile serieller Kommunikation lassen sich aber nur erreichen, wenn serielle Kommunikation und Intelligenz im Feldgerät integriert sind und nicht auf halber Strecke in einem Anschaltmodul für konventionelle Signale enden.

Mit AS-Interface hat sich für die Fabrikautomation hier ein Feldbus etabliert, dessen Kommunikationschip selbst bis in die einfachsten binären Schaltelemente hinein integriert werden kann und dessen Zusatzinformationen schon heute in vielen Anlagen ständig Verfügbarkeit und Zustand der Automatisierungskomponenten automatisch überprüfen und über Netzwerke auch dem dezentralen Zugriff zugängig machen.

Zu Hause im Wohnzimmer: Anlagenwartung im Internet Für die Prozessautomation heißen diese Feldbusse Foundation Fieldbus FF-H1 und Profibus PA. Nach jahrelanger Diskussion um die Frage der richtigen Standards haben sich diese beiden Systeme herauskristallisiert und die Hersteller erleben zur Zeit ein deutlich ansteigendes Interesse an den Systemen, was sich darauf zurückführen lässt, dass nun Betriebsbewährung und praxisgerechte Installationskonzepte vorliegen.

Feldbusinstallationskonzepte für Prozesse

Da sich in vielen chemischen, pharmazeutischen und petrochemischen Anlagen die Feldinstrumente in explosionsgefährdeter Atmosphäre befinden, muss ein leistungsfähiges Feldbusinstallationskonzept auch für eigensichere Feldgeräte geeignet sein. Dabei bedeutet eigensichere Instrumentierung immer auch eine deutliche Beschränkung der maximalen Leistung auf der Feldbusleitung. Um die Anzahl der angeschlossenen eigensicheren Feldgeräte und die maximale Leistungslänge durch die Leistungsbeschränkung nicht so weit zu reduzieren, dass die Topologie unwirtschaftlich wird, muss dabei eine Kombination unterschiedlicher Explosionsschutztechniken für die Feldbusleitung angewandt werden. Für eine vollständige Installation des Feldbusstrangs in der Zone 1 (USA: class 1 div. 1) des explosionsgefährdeten Bereichs wird die Hauptleitung in erhöhter Sicherheit Ex e ausgeführt bzw. im Bereich amerikanischer Vorschriften für den Explosionsschutz in so genannten „conduits“ geführt. An diesen Feldbusstrang können dann Feldbus-Barrieren angeschlossen werden, von denen zum Beispiel vier galvanisch vom Hauptstrang getrennte eigensichere Feldbus-Gerätespeisungen abgehen, die beispielsweise jeweils max. 40 mA Strom abgeben können.

Die Feldbusbarriere muss dabei nicht nur die sichere galvanische Trennung vom Hauptstrang realisieren, sondern die Energie jedes einzelnen Strangs eigensicher begrenzen und sicherstellen, dass ein Fehler (Kurzschluss oder Leitungsbruch) eines Feldgerätes keinerlei Rückwirkung auf die Kommunikation aller anderen Feldbusteilnehmer hat.

Die Speisung für den Hauptstrang muss dadurch weder eine zusätzliche galvanische Trennung noch besondere Anforderungen des Explosionsschutzes berücksichtigen. Hochverfügbare passive „power conditioner“ können so bis zu 2 A auf den Hauptstrang speisen. Dieses Installationskonzept erlaubt auch ausgedehnte kostengünstige Bussegmente in Zone 1 und vermeidet überdies einzelne Fehlerschwerpunkte, die ganze Feldbusstränge lahm legen können („single-point-of-failure“).

Aber auch für Feldbusinstallationen außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs ist ein vergleichbares Installationskonzept sinnvoll. Der Hauptstrang braucht dann nicht mehr in Ex e ausgeführt werden, und die Ankopplung der Feldgerätestichleitungen übernehmen so genannte „Segment-protector“-Bausteine, die wiederum Auswirkungen von Kurzschluss und Leitungsbruch an einem Feldgerät auf den gesamten Bus verhindern. Das Bild rechts veranschaulicht die Topologie.

Feldbusinstallationskonzepte für die Fertigung

Auch eine Vernetzung von Automatisierungskomponenten in der Fabrikautomation setzt eine aufwandsarme und pfiffige Installationstechnik voraus. Im Feld hat sich für die einfachere Sensorik und Aktuatorik das System AS-Interface durchgesetzt. Die gleichzeitige Übertragung von Energieversorgung und Daten über dasselbe „gelbe“ Flachkabel mit einer einfachen Kontaktierung in Durchdringungstechnik macht die Installation zum Kinderspiel. Die Konzentration der Funktionalität auf das Wesentliche - gepaart mit sinnvollen Zusatzfunktionen für die Diagnose und Parametrierung - erlaubt auch eine kostengünstige Vernetzung von einfachen Sensoren und Aktoren und ermöglicht eine echte „Plug-and-Play“-Inbetriebnahme. Durch neue Funktionen - beispielweise die Vorausfallüberwachung bei optischen Sensoren - kann durch präventive Maßnahmen (Säuberung der Optik) ein Stillstand der Anlage wegen Verschmutzung einzelner Sensoren wirksam verhindert werden.

Präventiver Service erhöht die Verfügbarkeit

Die erweiterten Funktionen der Sensorik werden von den AS-i-Mastern und -Gateways durchgängig unterstützt und stehen damit auch dem überlagerten Feldbussystem und/oder der überlagerten Steuerung zur Verfügung. Mit denselben Kommunikationsmechanismen ist in umgekehrter Richtung bei Bedarf auch eine Parametrierung der AS-i-integrierten Sensorik und Aktorik möglich. Ein Beispiel ist die Wirkrichtungsumkehr eines induktiven Näherungsschalters, d.h., die Schließer- oder Öffnerfunktion des Sensors ist über ein Parameterbit frei wählbar. Diese Flexibilität hat sowohl bei der Implementierung als auch bei der Lagerhaltung Vorteile.

Das System bietet auf der AS-i-Master-Ebene weitere Diagnosefunktionalitäten wie Erdschlussüberwachung, statistische Auswertung von fehlerhaften Protokollen oder die Erkennung von Doppeladressierung. Mit dem Einsatz von AS-Interface-integrierten Sensoren und Aktoren kann das System also durchgängig bis ans „untere Ende“ der Automatisierungspyramide diagnostizieren. Da AS-Interface durch die symmetrische Signalübertragung ohne geschirmte Leitung sehr robust gegen EMV-Einflüsse ist, gibt es für den Einsatz fast keine Einschränkung.

Das zeigt z.B. eine AS-Interface-Anwendung bei Opel in Rüsselsheim. Dort werden auf einer Strecke von über einem Kilometer diverse AS-i-Segmente über Schleifkontakte geführt. Die Systemverfügbarkeit ist dabei so hoch, dass nahezu komplett auf Materialpuffer in der durchgängigen Montagelinie verzichtet werden konnte. Abschlusswiderstände sind nicht erforderlich und die Topologie ist völlig frei wählbar, was die Projektierung und Installation erleichtert. Deshalb gibt es zu AS-Interface für die Sensor/Aktor-Anbindung keine gleichwertige Alternative.

Diagnose mit sicherheitsgerichteter Sensorik

Seit dem Jahr 2002 können unter der Bezeichnung „AS-Interface - Safety at Work“ auch sicherheitsgerichtete Komponenten (Notaustaster, Türverriegelungen etc.) an AS-Interface angeschlossen werden. Hierzu werden über dasselbe Protokoll die Eingangsbits nach einem vorgegebenen Algorithmus variiert und diese dynamische Variation mit einem „Sicherheitsmonitor“ überwacht. Über den Sicherheitsmonitor, der auch die Sicherheitsrelais enthält, können Windows-basiert per „drag & drop“ ganz einfach sicherheitsrelevante Verknüpfungen hergestellt und die Abschaltkreise definiert werden.

Fazit: AS-Interface verfügt heute über Diagnosemöglichkeiten, die sowohl in der Montagephase als auch im Betrieb einer Anlage erhebliches Einsparungspotenzial in Bezug auf Zeit und Geld bieten. Aufgrund der konsequenten Weiterentwicklung des Verkabelungssystems durch die Spezifikation 2.1, der integrierten Analogwertübertragung, der Realisierung von AS-i-Modulen für den Ex-Bereich sowie dem „Safety at Work“ Konzept wird AS-Interface auch zukünftig in weitere Anwendungsfelder vorstoßen.

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