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Automatisierung und I/O-Systeme Modular und hochverfügbar in Zone 2: Was die Prozessautomatisierung von der Fertigung lernen kann

| Autor / Redakteur: Arnold Offner* / Dominik Stephan

Die Digitalisierung macht auch vor der Prozessindustrie nicht halt und eröffnet neue Potenziale. Dabei lohnt ein Blick in Richtung der Fabrikautomation: Ein neues I/O-System soll die in der Fertigung erprobte Flexibilität und Wirtschaftlichkeit mit den hohen Anforderungen der Prozessindustrie vereinen.

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Aus der Fertigung in den Prozess: Das I/O-System Axioline P von Phoenix Contact, das zur Hannover Messe mit Standard- und eigensicheren Modulen präsentiert wird, sorgt dafür, dass die Informationen schnell und wirtschaftlich an das Leitsystem übertragen werden.
Aus der Fertigung in den Prozess: Das I/O-System Axioline P von Phoenix Contact, das zur Hannover Messe mit Standard- und eigensicheren Modulen präsentiert wird, sorgt dafür, dass die Informationen schnell und wirtschaftlich an das Leitsystem übertragen werden.
(Bild: Phoenix Contact)

Steuerungstechnik und Komponenten, die in der Fabrik­automation zum Einsatz kommen, werden immer häufiger in prozesstechnischen Anlagen verwendet: Ihr Anwendungsbereich liegt vorwiegend dort, wo nur einfache Aufgaben effizient und kostengünstig zu erfüllen sind, beispielsweise in Förder- oder Abfüll­anlagen. Was liegt also näher, als in der Massenfertigung erprobte Lösungen an die Bedürfnisse der Verfahrenstechnik anzupassen? Mit diesem Gedanken hat sich der Elektrotechnik-Ausrüster Phoenix Contact daran gemacht, das „beste beider Welten!“ – nämlich die Modularität seiner bestehenden Automatisierungslösungen mit den Ansprüchen der Prozessindustrie zu kombinieren.

Allerdings können Technologien nicht einfach 1:1 aus der Fertigung übernommen werden: So werden in der Prozessindustrie kritische Anforderungen weiterhin von DCS genannten Leitsystemen und speziellen I/Os umgesetzt. Das zeigt, dass die aus der Fabrikautomation stammenden Technologien zusätzlichen Ansprüchen gerecht werden müssen, wenn sie sich in der Prozesstechnik etablieren wollen.

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Die Digitalisierung der Prozess­automation erfordert eine Spezifikation, welche den Anforderungen der Anwender entspricht. Im Vorfeld der Achema veröffentlicht die Nutzerorganisation Profibus & Profinet International (PI) jeweils eine neue Ausgabe des Whitepapers „“, in dem sämtliche Wünsche der Branche aufgelistet sind.

Ethernet APL ist beim Anwender gefragt

In der letzten Version vom Juni 2018 werden neben höchster Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit eine Eignung für große Mengengerüste mit 10 000 und mehr Geräten, einfache Handhabung, störungsfreie Eingriffe im laufenden Betrieb sowie Systemflexibilität und -redundanz verlangt. Zudem sollen die Geräte im Ex-Bereich zusammen mit Ex i-Komponenten zum Einsatz kommen. Ferner wird bei einem Technologiewechsel Investitionsschutz für Bestandsanlagen gefordert.

Abgesehen von der Nutzung vorhandener Feldbussysteme wie Profibus PA und spezifischer I/O-Signale, etwa der Namur-Sensorik oder von Hart-Geräten, sprechen sich die Anwender für die Verwendung von Ethernet APL (Advanced Physical Layer) aus. Das bedeutet eine Zwei-Draht-Ethernet-Anbindung bis zum im Ex-Bereich verbauten Feldgerät.

Ob Nachrüstung oder Neubau

Um diese Anforderungen realisieren zu können, musste Phoenix Contact für die entsprechenden Geräte sowohl mechanisch als auch elektronisch ein neues, modulares Backplane-System entwickeln. Außerdem hat das Team existierende Verdrahtungskonzepte berücksichtigt, um den vorhandenen Platz sowie die Regeln der Eigensicherheit einzuhalten.

Verbindung? Stimmt! Um Konnektivität geht es bei Phoenix Contact heute wie damals: angefangen vom Feld über die Rangierung bis zur Anbindung an die Prozessleitebene. Entdecken Sie mit uns die Meilensteine der Verbindungstechnik!

Von der Fahrdrahtklemme zum Technologieführer in industrieller Kommunikationstechnik

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Darüber hinaus wurden die Rahmenbedingungen beachtet, die mit der Migration bestehender Anlagen sowie der Errichtung neuer Greenfield-Applikationen einhergehen. Wie sich die Automationsexperten die Kombination aus Wirtschaftlichkeit und Anspruchsdenken vorstellen, demonstriert das neue hochverfügbare Remote-I/O-System Axioline P: Dieses wird über das Profinet-Protokoll an das Leitsystem angekoppelt und stellt selbst den Feldanschluss zu Profibus-PA-, Hart- und Namur-­Geräten sowie einfachen I/O-Modulen her, erklären Firmensprecher.

Eine Axioline-­P-Station setzt sich aus einem Profinet-Buskoppler, digitalen und analogen I/O-Modulen sowie Profibus-PA-Schnittstellen zusammen. Diese bestehen aus einem Basisgerät sowie ein oder zwei Feldbus-Versorgungsmodulen. Über einen High-Power-Trunk können so bis zu acht Profibus-PA-Segmente versorgt werden. Dieser Ansatz erlaubt die Umstellung vorhandener Segmente auf Profinet, ohne dass ein Profibus-DP-System als Zwischenschritt eingesetzt werden muss.

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Die Verbindung stimmt - Dank Namur- und Hart-I/Os

Die Namur- und Hart-I/Os stehen als Standard- oder eigensichere Variante zur Verfügung, die nur durch eine kleine Trennplatte innerhalb einer Station voneinander separiert werden müssen. Während die Eingangsmodule acht oder 16 Kanäle umfassen, bieten die Ausgangsmodule vier Kanäle. Die Axioline-P-Station lässt sich folglich flexibel an die entsprechenden Gegebenheiten anpassen. Über die analogen Ein- und Ausgänge mit 4…20 mA und Hart-Kommunikation können Daten mit den Hart-Feldgeräten ausgetauscht werden.

Neben den typischen Sensoren für Durchfluss, Druck und Füllstand ist der Anschluss von Magnetventilen sowie Multivariablen-Ausgangsmodulen möglich. Abgesehen von den Primärvariablen erhält der Anwender nun Zugriff auf drei weitere von den Geräteherstellern bereitgestellte Variablen. Die Sekundär-, Tertiär- und Quartärwerte erteilen u.a. Auskunft über die Historie des Geräts sowie seine Nutzung, die Temperatur und Laufzeit. Zusätzliche Daten lassen sich azyklisch über so genannte Hart-Commands abrufen.

Sogar einfachen Näherungssensoren kann in prozesstechnischen Anwendungen eine große Bedeutung zukommen. Denn mit einem so genannten ist feststellbar, ob der Signalpfad zum Sensor einen Kurzschluss aufweist oder eine getrennte Leitung existiert. Deshalb hat Phoenix Contact die Überwachung entsprechender Sensorik in die jeweiligen digitalen Eingangsmodule integriert. Einfache I/Os können in Zone 2 angekoppelt werden. Handelt es sich um eigensichere I/Os gemäß Ex ia, reicht der Anschluss bis in Zone 0. Alle Module unterstützen einen erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis 70 °C.

Verdrahtung leicht gemacht, ob Bus-Kontakt oder Energie

Aufgrund der neu konzipierten Backplane lassen sich verschiedene I/O-Module mit bis zu acht Profibus-PA-Segmenten an den Profinet-Buskoppler anbinden. Zudem ist ein integrierter Versorgungspfad für die Modulelektronik geschaffen worden, was hilft, den Verdrahtungsaufwand bei der Installation in Verteiler- oder Schaltschränken erheblich zu reduzieren. Ferner können die im Bereich der Eigensicherheit geforderten Sicherheitsabstände eingehalten werden. Und es steht mehr Platz zur Verfügung, da die oberhalb der Module notwendige herkömmliche Versorgungsverkabelung entfällt.

Wie bereits erwähnt, werden die Standard- und eigensicheren I/O-Module durch eine Trennplatte voneinander separiert. Hier empfiehlt der Hersteller, die eigensicheren I/Os am Ende der Axioline-P-Station zu installieren. Die Signalverkabelung wird in der Regel getrennt von den normalen Signalleitungen in blauer Farbe ausgeführt.

Für eine zuverlässige Kommunikation unterstützt das Axioline-P-System die Redundanz-Variante S2 des Profinet-Protokolls. Im Rahmen der Systemredundanz umfasst der Buskoppler zwei Profinet-Ports, über die er an zwei unterschiedliche Steuerungen angedockt ist. Die Kommunikation kann über ein oder zwei Kabel realisiert werden. Ist eine Verbindung gekappt, erfolgt eine unterbrechungsfreie Umschaltung auf die andere. Die Redundanz-Variante R1 ist im System vorgesehen und steht ab einem nächsten Release bereit. Eine hohe Verfügbarkeit wird außerdem durch die Hot-Swap-Fähigkeit erreicht: Das bedeutet, dass der Anwender einzelne I/O-Module im laufenden Betrieb austauschen kann, ohne dass es zu einer Unterbrechung in der Kommunikation kommt. Dies wird durch die Funktion „Dynamic Reconfiguration“ umgesetzt, die auch das nachträgliche störungsfreie Einfügen neuer Module ermöglicht. Im Axioline-­P-System führt das Entfernen eines Moduls dazu, dass der Backplane-­Steckverbinder den Bruch „heilt“, indem er die verursachte Lücke überbrückt.

Das hochverfügbare I/O-System lässt sich weltweit in explosionsgefährdeten Bereichen verwenden. Für den nordamerikanischen Markt ist es gemäß UL Class 1/Division 2 zertifiziert, während die Zulassung gemäß IECEx und Atex den Einsatz in den anderen Ländern der Erde erlaubt. Als Bestandteil der bewährten Axioline-Produktfamilie lassen sich mit dem Axioline-P-System innovative Lösungen in vielen Bereichen der Prozesstechnik ausführen.

* Der Autor ist Strategic Marketing Manager Process Automation Infrastructure, Phoenix Contact/USA.

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