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Explosionsgeschützte IP-Kommunikation Die Vorteile von Ethernet auch im Ex-Bereich nutzen

| Autor / Redakteur: André Fritsch* / Anke Geipel-Kern

Mit schneller Datenkommunikation und hohen Bandbreiten ebnet Industrial Ethernet auch in Chemie, Öl/Gas und Petrochemie den Weg zur Industrie 4.0. Aber wie sieht es in Zone 0, 1 oder 2 aus? Von A wie Antenne bis W wie WLAN: typische Probleme, die bei Ethernet-Installationen im Ex-Bereich auftauchen können und die passende Lösung dazu.

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Auch in Chemiebetrieben werden immer häufiger Ethernetkabel verlegt. Im Bild eine Raffinerie.
Auch in Chemiebetrieben werden immer häufiger Ethernetkabel verlegt. Im Bild eine Raffinerie.
(Bild: ©photollurg - stock.adobe.com )

Feldbus-Systeme wie Profibus DP oder Foundation Fieldbus H1 sind mittlerweile auch in explosionsgefährdeten Bereichen weit verbreitet. Im Kontext von Industrie 4.0 steht der Prozessindustrie mit der Ethernet-Vernetzung jetzt der nächste Technologiesprung ins Haus. Verschiedene Feldbus-Organisationen – darunter die Fieldcomm Group (FCG), die Odva und Profibus International (PI) – haben mit Hart/IP und FF HSE, Ethernet/IP und Profinet leistungsfähige Protokolle für Indus­trial Ethernet entwickelt.

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Mit hohen Bandbreiten ermöglichen diese Systeme eine kollisionsfreie, deterministische Datenkommunikation, die aber über die Echtzeitfähigkeit hinaus noch mehr können müssen: Kabel, Steckverbinder, Switches und Medienkonverter müssen robuster ausgelegt sein, einen höheren IP-Schutz gewährleisten und sich in einem erweiterten Temperaturbereich einsetzen lassen. Um Industrial Ethernet bis in die Ex-Bereiche der Öl-, Gas-, Chemie-, Petrochemie- und Pharmaindustrie verfügbar zu machen, bedarf es deshalb geeigneter Schutzkonzepte, die sicher, funktional und wirtschaftlich implementiert werden können.

Vielseitige Talente für viele Einsatzfälle

Als technologieführendes Unternehmen mit umfassender Ex-­Schutz-Kompetenz bietet R. Stahl auf Basis verschiedener Zündschutzarten viele Optionen für die explosionsgeschützte Datenkommunikation und hat geeignete Systemlösungen zur Visualisierung, Bedienung und Prozessdatenübertragung entwickelt.

Exemplarisch dafür ist das Remote I/O-System IS1+ zur Installation in Zone 1 und 2.

Das vielseitige System vernetzt Feldgeräte mittels Lichtwellenleitern oder CAT-Kupferverkabelung über Profinet, Ethernet/IP oder Modbus TCP an unterschiedliche Prozessleitsysteme. Konventionelle Feldgeräte in der Zone 0, 1 oder 2 werden über I/O-Module angebunden mit bis zu 16 Kanälen und eigensicheren, nicht-eigensicheren oder pneumatischen Schnittstellen.

Seminar: Risikoermittlung in der Anlagensicherheit

In unserem Seminar „Risikoermittlung in der Anlagensicherheit“ lernen Sie mit welchen Methoden die Risiko- und Gefährdungsermittlung bei Prozess- und Chemieanlagen erfolgen kann und welche Tools dazu geeignet sind. Anhand eines konkreten Beispiels der Risikoanalyse einer Betriebsvorlage (Behälter) wird mit den vorgestellten Tools unter Anwendung der Methode PAAG-/LOPA eine Risikoanalyse durchgeführt. Aufgrund der aktuellen Corona-Pandemie ist diese Veranstaltung auch als Live-Webinar buchbar.

Zur Anlagenbedienung und Prozessvisualisierung in Zone 1 bzw. 21 und 2 bzw. 22 führt R. Stahl HMI Systems schlanke Bedienstationen mit leistungsfähiger Prozessortechnologie, HD-Grafikchip und IoT-optimierter Firmware im Programm. Die Thin Clients können in Schutzart „erhöhte Sicherheit“ (Ex e) oder mit Ex op is-geschützten Lichtwellenleitern via Ethernet vernetzt werden. Dank der schnellen IP-Vernetzung können die Bedienstationen problemlos in die vorhandene In­frastruktur integriert und auch anspruchsvolle Applikationen wie Soft-SPS oder Scada in explosionsgefährdeten Bereichen genutzt werden.

Als gängige Methode zum Ausschluss von Zündrisiken in der Übertragungstechnik gilt zumeist die „Eigensicherheit“ (Ex i). Bei dieser Zündschutzart wird die elektrische Energie auf ein nicht-­zündfähiges Maß reduziert, indem Strom und Spannung begrenzt werden. Doch nicht in jedem Fall stellen eigensicher ausgelegte Komponenten und Anschlüsse die wirtschaftlich optimale und praktikabelste Lösung für das Industrial Ethernet im Ex-Bereich dar.

Eigensicherheit bei kurzen Kupferleitungen

Für kurze Leitungslängen bis 100 m lassen sich Kupferleitungen gemäß der Zündschutzart „erhöhte Sicherheit“ (Ex e) bis in Zone 1 verlegen. Besonderes Augenmerk ist bei Ex e-Installationen auf die Kabel und die Leitungsführung zu legen, um Beschädigungen und damit potenzielle Zündquellen zu vermeiden

Als problematisch erwies sich bisher auch der Anschluss an das entsprechende explosionsgeschützte Betriebsmittel, da die gängigen RJ45-Stecker nicht für Anwendungen in Zone 1 geeignet sind. Zwar lassen sich Ethernet-Kabel über spezielle Leitungseinführungen auch in Ex d-Gehäuse einführen.

Aufgrund des beträchtlichen Aufwands ist diese Lösung vor Ort allerdings schwer umsetzbar und spätestens bei Umbauten oder Wartungsarbeiten kaum mehr sinnvoll zu handhaben. Als praktikable Alternative hat R. Stahl daher eine zur Installation in Zone 1 zugelassene Ex e-Klemme entwickelt, die sich für Ethernet-Kabel mit bis zu acht Adern mit einer Übertragungsrate von bis zu 1 GBit/s eignet. Die in Zugfedertechnik ausgeführte Klemme wird in einem Ex e-Anschlussraum in­stalliert und ist so auch für Wartungsarbeiten einfach zugänglich.

Lichtwellenleiter für die Ferne

Im Unterschied zu Kupferkabeln lassen sich mit Lichtwellenleitern weitläufige Kommunikationsnetze einrichten, um z.B. auch einzelne Ex-Bereiche in ausgedehnten Industrieanlagen per Ethernet anzubinden. Dies erlaubt den schnellen Datenaustausch von Sensoren und Aktoren, Remote I/O-Systemen, Kontroll- und Überwachungskameras oder Bedienterminals in hoher Geschwindigkeit auch über weite Distanzen.

Überdies erspart die störsichere LWL-Verkabelung die aufwändige Erdung und Schirmung gegen elektromagnetische Störungen. Allerdings sind auch beim LWL-­Einsatz in explosionsgefährdeten Zonen spezielle Schutzvorkehrungen zu treffen, um durch optische Strahlung verursachte Zündgefahren auszuschließen.

Die entsprechende Norm IEC 60079-28 zum Explosionsschutz von Geräten und Übertragungssystemen, die mit optischer Strahlung arbeiten, benennt vier Gefahrenquellen: Neben dem Risiko einer thermischen oder photochemischen Zündung sowie eines direkten laserinduzierten Durchschlags muss vermieden werden, dass sich durch Erhitzung von Partikeln eine zündfähige Oberflächentemperatur entwickelt. Hierzu werden drei verschiedene Zündschutzarten definiert.

Ex-Schutzkonzepte für Glasfaser

Analog zur Eigensicherheit lassen sich Lichtwellenleiter durch inhärent sichere optische Strahlung (Ex op is) schützen. Dafür wird die Energie des Lichtbündels auf ein nicht-explosionsfähiges Maß begrenzt. Als maximal zulässige optische Leistung für den Einsatz in Zone 1 und der Explosionsgruppe IIB gelten beispielsweise 35 mW bei Temperaturklasse T4.

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Da die inhärent geschützten Lichtwellenleiter während des laufenden Betriebs im Ex-Bereich verbunden und getrennt werden können, sind Installations, Umbau- und Wartungsarbeiten unkompliziert und kostengünstig zu bewerkstelligen. Schon in den 1990er-Jahren hat R. Stahl eine erste op is-geschützte Trennstufe für das hauseigene Remote-I/O-System eingeführt. Die heutigen Produktgenerationen erlauben im Ex-Bereich inzwischen sogar die Installation eines optischen Rings mit Diagnose- und Meldefunktionen – z.B. bei Faserbruch.

Hierzu führt R. Stahl entsprechende Medienkonverter und Switches mit vier LWL-Ports in Schutzart Ex op is im Programm. Diese auch für den Profinet-Standard adaptierten Verteiler bieten eine Ringfunktionalität auf Basis des Media Redundancy Protocol (MRP). Nach den Vorgaben der Zündschutzart Ex op pr („geschützte optische Strahlung“) wurden speziell für Zone 1 konzipierten Spleißboxen für LWL-Verteiler kons­truiert.

Das Spleißen gewährleistet, dass die Verteilung normenkonform vor versehentlichem Trennen geschützt und durch das Gehäuse gegen zerstörerische Einflüsse gesichert ist. Die dritte Zündschutzvariante Ex op sh basiert auf einer Zündquellenüberwachung ähnlich der Funktionalen Sicherheit gemäß IEC 61508 und IEC 61511, um im Fehlerfall die optische Strahlung unmittelbar abzuschalten.

Funkvernetzung bis in den Ex-Bereich

Für Funksysteme spricht ihre flexible Handhabung. Die Vorteile kommen besonders bei temporären Installationen, der Nachrüstung bestehender Anlagen und dem Datenaustausch mit mobilen Endgeräten zum Tragen. Da funkfähige Betriebsmittel wie WLAN Access Points, Mobilfunk-Komponenten oder RFID-Leser elektrische Zündgefahren in sich bergen, erfordert die Funkübertragung im Ex-Bereich sowohl für die installierten Geräte als auch für die (Funk-)Schnittstellen einen passenden Zündschutz.

In der Regel sind im Verwaltungs- und Logistikbereich vieler Unternehmen bereits WLAN-Netzwerke in Betrieb. Das Netzwerk entfaltet jedoch in den meisten Fällen erst dann seinen vollen Nutzen, wenn es firmenübergreifend homogen und zentral administrierbar ist. Daher sind viele Anwender bestrebt, bei Netzwerk-Erweiterungen in die Fertigungsbereiche identische Geräte einzusetzen. Diese Geräte verfügen im Regelfall jedoch über keine Zulassung für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen.

Deshalb bietet R. Stahl auf Basis eines breiten Sortiments an Gehäusesystemen und Komponenten applikationsgerechte Lösungen an, mit denen sich konventionelle WLAN Access Points und andere Netzwerkkomponenten in kurzer Zeit für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ertüchtigen lassen.

Eigensichere Antennenanbindung

Neben der Absicherung des Funkgeräts muss auch die angeschlossene Antenne gegen potenzielle Zündgefahren geschützt sein. Die zulässigen Grenzwerte für die abgestrahlte Funkleistung an der Antenne (EIRP) sind in der IEC 60079 0 festgelegt und reichen je nach Explosionsgruppe der umgebenden Gase oder Dämpfe von zwei bis sechs Watt. Hier gilt es, den so genannten Antennengewinn zu beachten.

Zusätzlich verlangt die Norm eine Fehlerfallbetrachtung für in Zone 1 installierte Geräte, um sicherzustellen, dass sich auch Fehlfunktionen nicht explosionsauslösend auswirken können. Zwar ist es bei der WLAN-Installation in Zone 1 prinzipiell möglich, die Antenne im Ex-Schutz-Gehäuse zusammen mit dem Wlan Access Point zu platzieren, doch wirkt sich dies nachteilig auf die Funkleistung und den Abstrahlwinkel aus. Stattdessen kann auf externe Antennen in explosionsgeschützter Ausführung – meist in der Schutzart Ex e – ausgewichen werden.

Allerdings beschränkt sich die Auswahl auf wenige Modelle mit omnidirektionaler Abstrahlung, die relativ unflexibel sind, was Planung, Installation und Wartung betrifft. Als probate Alternative ist der „HF isolator“ der Serie 9730 eine Lösung, die das Funksignal in ein eigensicheres Signal umwandelt. Damit kann die Funkanlage mit jeder beliebigen industrietauglichen Antenne betrieben werden. Zudem vereinfachen sich Handhabung und Betrieb, weil die Verbindung zwischen funkfähigem Gerät und Antenne über gesteckte Kabel und nicht mehr durch eine unflexible feste Leitung erfolgt.

Mit solchen Lösungen bieten Spezialisten wie R. Stahl ein breites Produkt- und Lösungsangebot für die ex-geschützte Ethernet-­Kommunikation via Kabel, LWL und WLAN. Damit verfügt die Prozessindustrie über zentrale Systemkomponenten zum Auf- und Ausbau einer leistungsfähigen digitalen Infrastruktur bis in Zone 1 – für eine zukunftssichere Prozess­automatisierung fit gemacht für Industrie 4.0 und Industrial IoT.

* * Der Autor ist Senior Product Manager Fieldbus & Remote IO bei der R. Stahl Schaltgeräte GmbH in Waldenburg, Kontakt: Tel. +49-7942-943-0

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