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30 Jahre Remote I/O bei R. Stahl

Warum Remote I/O garantiert nie aus der Mode kommt

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

R. Stahl hat die Entwicklung der modernen Remote I/O-Technologie stark geprägt.
R. Stahl hat die Entwicklung der modernen Remote I/O-Technologie stark geprägt. (Bild: R.Stahl; © leremy - stock.adobe.com; [M]Alban)

Vor 30 Jahren war die digitale Datenübertragung mit Remote I/O-Systemen Neuland für Betreiber in der Prozessindustrie. Heute sind sie aus Installationen im Ex-Bereich nicht mehr weg zudenken – zu offensichtlich sind die Vorteile, was Kosten, Installation und Diagnosefähigkeit angeht. Die neuste Generation der Remote I/O-Systeme setzt jetzt auf eigensicheres Ethernet und moderne Kommunikationsarchitekturen.

Vor 30 Jahren betrat R. Stahl mit der Entwicklung seines ersten Remote I/O-Systems technologisches Neuland. Damit ebnete das Unternehmen den Weg für die inzwischen weltweit eingesetzte Technologie in explosionsgefährdeten Bereichen. Remote I/O-Systeme haben sich aufgrund ihrer Eigenschaften als moderne und zukunftsfähige Lösung etabliert.

Insbesondere bei der Installation in Ex-Bereichen spielen sie ihre Vorteile aus: deutliche Platz- und Kosteneinsparungen in der Warte, wesentlich niedrigere Kosten in der Feldverkabelung und der dazugehörigen Planung, höhere Anlagenverfügbarkeit durch umfangreiche Diagnosen aus dem Feld sowie ein flexibler Einsatz in Verbindung mit der großen Vielfalt an Busprotokollen.

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Der Start

Das erste Remote I/O-System für explosionsgefährdete Bereiche der Zone 1 hat das Unternehmen vor 30 Jahren unter dem Namen ­„Eigensicheres Feldbus-System ICS MUX“ auf den Markt gebracht und damit schon damals zahlreiche Anforderungen an moderne Remote I/O-Systeme erfüllt:

Damit war das erste Remote I/O-System mit „hot-swap“-fähigen Baugruppen geschaffen, die in der Zone 1 im Betrieb getauscht werden durften. Trotzdem gab es am Markt wenig Akzeptanz. Ein digitaler Bus in Ex-Bereichen kam damals für viele Anwender noch nicht in Frage.

Die boomende Offshore Indus­trie erkannte jedoch die Vorteile von Remote I/O: Gewichtseinsparungen durch die Reduzierung von Kabel und Leitungen sowie zusätzliche Ferndiagnosen waren die über­zeugendsten Argumente. Deshalb sind noch heute Remote I/O-­Systeme der ersten Generation auf Offshore Plattformen im Einsatz.

Mit der Verbreitung und Akzeptanz standardisierter, herstellerneutraler und interoperabler digitaler Busse wuchs die Akzeptanz von Remote I/O. Insbesondere der Profibus DP dient bis heute bei vielen Remote I/O-Systemen als Basis der Feldkommunikation. Auch hier leistete das Waldenburger Unternehmen Pionierarbeit, um den schnellen und für große Datenmengen konzipierten Profibus DP in explosionsgefährdeten Bereichen komfortabel einzusetzen.

Als Zündschutzart wurde die „Eigensicherheit“ gewählt. Diese gestattet die Installation, Erweiterung und Wartung von Bussegmenten in Ex-Bereichen nahezu ohne Einschränkungen. Bis heute basieren die meisten modernen Remote I/O-Systeme auf dem mittlerweile standardisierten eigensicheren Bussystem.

Aus ICS MUX entstand Mitte der 90er Jahre die deutlich kompaktere und preiswertere VOS200, die über einen eigensicheren Feldbus sowie Profibus DP oder Modbus RTU mit vielen Prozessleitsystemen kompatibel war. Zusätzlich wurde auch das weitverbreitete Hart unterstützt.

Die zweite Generation

Mit dem IS1-System präsentierte R. Stahl zur Jahrtausendwende seine zweite Generation explosionsgeschützter Remote I/O-Lösungen. IS1 ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Zone 1 Remote I/O und gilt als Maßstab im Ex-Bereich. Es basiert auf einer eigensicheren Systemplattform mit Ex i Feldbus und eigensicherer Ansteuerung der I/O-Module zum Anschluss von Ex i und nicht-Ex i Feldgeräten. Installation, Wartung oder Erweiterungen sind damit in Ex-Bereichen am System und am eigensicheren Feldbus unter Spannung zulässig (hot-work).

Das Hinzufügen oder der Austausch von I/O-Modulen und Ex i Feldgeräten sind ebenfalls in der Zone 1 erlaubt (hot-swap). Die interne eigensichere Systemverdrahtung erfolgt über eine einfache, robuste in einer DIN-Schiene eingebettete Busrail. In der Zone 1 sind damit bis zu acht I/O-Module (64 analoge/128 digitale Signale) und in der Zone 2 bis zu 16 I/O-Module (128 analoge/256 digitale Signale) verwendbar. Hart sowie umfangreiche Diagnosen werden transparent übertragen.

Die CPU & Power Module erzeugen die eigensichere interne Versorgung des Systems. Mit IS1 lassen sich Feldstationen in der Zone 1 oder in der Zone 2 errichten, ohne dass Ex d oder Ex p Gehäuse erforderlich sind. Kunststoff- bzw. Edelstahlgehäuse mit Eignung für den jeweiligen Einsatzbereich sind ausreichend.

IS1+ mit neuen Funktionen

2010 stellte R. Stahl mit IS1 Ethernet das erste Remote I/O für Zone 1-Installation mit Ethernet-Connectivity vor. Um Ethernet-Installationen in Ex-Bereichen einfach zu realisieren und eine störsichere Übertragung zu gewährleisten, nutzt IS1 Ethernet eine explosionsgeschützte optische Übertragung über Lichtwellenleiter in der Zündschutzart „inhärent sicher op is“ (IEC 60079-28).

Das Schutzkonzept funktioniert über optische Energiebegrenzung ähnlich der Eigensicherheit. Es erlaubt neben der robusten Übertragung und Unabhängigkeit von Schirmungs- und Erdungsqualität auch sehr große Entfernungen bis 30 km. Damit sind erstmals Installationen mit Modbus TCP, Ethernet/IP und Profinet auch in der Zone 1 möglich.

Multifunktionale I/O-Module

Die Neuentwicklung der I/O-­Ebene im Jahr 2013 war der nächste logische Schritt in der Remote I/O Evolution. Multifunktionale I/O-Module erlauben den gemischten Betrieb von Ein- und Ausgängen für analoge bzw. digitale ­Feldsignale sowie von Widerstandssensoren und Thermoelementen. Sie ermöglichen kompakte und preiswerte Systeme auch bei kleineren und inhomogenen Signalmischungen sowie Einsparungen bei der Ersatzteilhaltung.

Das neue low-power Design ist für den Einsatz in extremen Umgebungen mit Temperaturen von -40 °C bis +75 °C ausgelegt. Gleichzeitig wurde der Energiebedarf des Systems um bis zu 50 % reduziert und die Lebensdauer bis mindestens 15 Jahre erweitert. Die Module haben LED-Statusmeldungen je Kanal für Fehler und Schaltzustand.

Eine innovative Neuerung ist die „blaue LED“ – angelehnt an die Namur-Empfehlung NE107 „Selbst­überwachung und Diagnose von Feldgeräten“ – für die Statusmeldung „Wartungsbedarf“, welche z.B. bei Übertemperatur ausgelöst wird. Alle Meldungen werden ebenfalls über den Prozessbus und Servicebus zu Leitsystem und Plant Asset Management System übertragen. Die „blaue LED“ dient weiterhin als integrierte Ver­schleißerkennung: Im Betrieb werden alle relevanten Betriebsparameter erfasst, daraus errechnet das Modul eine zu erwartende Le-­bensdauer und meldet sich rechtzeitig vor dem möglichen Ausfall.

Vorausschauende oder pro-aktive Maintenance Konzepte sind damit realisierbar. Die neue IS1+ Generation ist vollständig kompatibel zu ihren Vorgänger-­Modulen und ersetzt diese ohne Änderungen in der Hardware und Software. Die zwei Generationen der I/O-Module können sogar gemischt in einem System betrieben werden.

Ethernet und Zone 2

Aktuell stellt R. Stahl eine neue Generation IS1+ für die Zone 2 mit Ethernet-Connectivity vor. Das neue CPU-Modul hat eine RS485- sowie zwei Ethernet-Schnittstellen und ist Multiprotokoll-fähig. Unterstützt werden Profibus DP und die Ethernet Protokolle Profinet, Ethernet/IP sowie Modbus TCP.

Der Anwender kann vor Ort das zu verwendende Protokoll per Schalter auswählen, sodass sich maximale Flexibilität bei Ankopplungen an unterschiedliche Leitsysteme mit verringerter Lagerhaltung verbindet. Zu den innovativen Funktionen der I/O-Ebene gehören der erweiterte Temperaturbereich von -40 °C bis +75 °C in beliebiger Montagelage sowie die integrierte Diagnose inklusive der „blauen LED“ sowohl für CPU als auch für das Power Modul.

Letzteres wird damit zu einem intelligenten Versorgungsmodul. Ein separater Servicebus ist nicht unbedingt erforderlich, da Diagnosen auch über das Ethernet Netzwerk wahlweise mittels DTM oder dem integrierten Webserver übertragen werden. Mit der neuen CPU ist eine leistungsfähige Hardware-Plattform verfügbar. Diese ist gerüstet für aktuelle und zukünftige Anforderungen an Remote I/O.

Was die Zukunft bringt

R. Stahl ist in zwei Arbeitsgruppen aktiv, um eigensicheres Ethernet zu standardisieren und inter­operabel zu machen. Während die Arbeitsgruppe APL (Advanced Physical Layer) eine long-range 2-Draht Lösung in Zusammenarbeit mit der IEEE 802.3cg konzipiert, arbeitet die Intrinsically Safe Ethernet Working Group an der 4-Draht Ausprägung.

Aber auch Integrations- und Kommunikationsthemen spielen eine große Rolle im gesamten Industrie 4.0-Umfeld. Themen wie OPA (Open Process Automation) und auch OPC UA (Open Plattform Communications Unified Architecture) passen ideal zu Remote I/O-Systemen. So bietet sich auch in Zukunft viel Potenzial für innovative Lösungen mit Remote I/O-Technologie.

* Der Autor ist Produktmanager Remote I/O und Feldbus bei R. Stahl in Waldenburg.

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