Erschienen am: 02.04.2014, Ausgabe SPS-MAGAZIN ProzessAut 2014

Signalübertragung 4.0

Seit vielen Jahren haben sich unterschiedliche Konzepte für die Signalübertragung zwischen der Feldebene und der Leitebene etabliert. Diskutiert man mit Betreibern über das Thema, dann steht die Technik zunächst im Hintergrund. Für sie sind Sicherheit und Verfügbarkeit der Gesamtanlage die wichtigsten Kriterien. Für Hardware-Hersteller sind die technischen Funktionen ihrer Hardware wichtig. Wie werden sich diese unterschiedlichen Sichtweisen der Signalübertragung in Zukunft beeinflussen?

Autor: Dipl.-Ing. Thomas Menze, ARC Advisory Group.


Wenn ein Signal aus der Produktion an eine Steuerung übertragen werden soll, dann ist vieles zu bedenken. Die Feldgeräte sind mehrere hundert Meter von der der Steuerung (im Schaltraum) entfernt und werden prozessnah in explosionsgefährdeten Bereichen betrieben. Aufgrund der Leitungslänge ist eine galvanische Trennung der Signale gefordert. Anfangs waren es einzelne Trennbausteine im Europakarten-Format oder als Aufbaugehäuse, die die Signaltrennung zwischen Feldebene und Leitebene sicherstellten. Diese wurden in Schaltschränken bei der Steuerung oder davor aufgebaut. Vom Schaltraum ins Feld führten Stammkabel, die eine Vielzahl von Signalen übertrugen. Sehr bald bemerkte man aber, dass der Platzbedarf für eine solche Installation hoch ist und durch die vielen einzelnen Geräte die Fehlersuche häufig langwierig war.

Remote IO

Mit den Remote IO-Geräten wurde diese Technik sukzessive ersetzt. Die Technologie war in der Fabrikautomatisierung bereits weit verbreitet, bevor ähnliche Systeme in der Prozessautomatisierung eingesetzt wurden. Der Grund dafür waren die höheren Anforderungen der Prozesstechnik an die vor Ort installierten Geräte, z.B. die Montage im freien Feld. Dadurch ergaben sich auch andere Anforderungen an Umgebungs-Temperaturen, Vibrationsfestigkeit und Explosionsschutz. Ein weiterer Aspekt sind die aggressiven Umgebungsbedingungen. In der Chlor-Chemie werden sämtliche Komponenten einer aggressiven Umgebungsluft ausgesetzt, d.h. für die empfindliche Elektronik und die zugehörigen Verbindungen höchste Anforderungen. Hier wurde viel Lehrgeld bezahlt, bis die Technik so zuverlässig war, dass die Anforderungen der Anwender an Sicherheit und Verfügbarkeit erfüllt werden konnten. Nachdem die Technik zuverlässig funktionierte, definierten die Betreiber neue Anforderungen. Viele Prozessanlagen arbeiten rund um die Uhr, also ohne Unterbrechung. Die Signalübertragung konnte diese Anforderung erfüllen. Jedoch werden die Anlagen stets 'verbessert'. Daher sollte es möglich sein, im laufenden Betrieb auch neue IO-Module zu ziehen oder zu stecken, ohne das die Signalübertragung unterbrochen wird. Zudem werden oft mehr als hundert IO-Signale über ein Buskabel zwischen Remote IO und Steuerung transportiert. Wenn nun das Buskabel unterbrochen wird, z.B. durch eine mechanische Beschädigung, fehlen wichtige Signale, so dass der Prozess gestoppt werden muss. Nun wurden redundante Möglichkeiten für die Signalübertragung zwischen Remote IO und Steuerung aufgebaut. Die Hardware der Remote IO wurde im Laufe der Zeit immer ähnlicher, weshalb die Hersteller versuchten über die verwendeten Busprotokolle Merkmale für ihre jeweils herstellerspezifische Technik zu definieren. Dies führte zum 'Feldbus-Krieg'. Es existierten unterschiedliche Feldbusprotokolle die von Fachmesse zu Fachmesse immer schnellere Übertragungsgeschwindigkeiten aufwiesen. Gleichzeitig wuchsen die Distanzen, über die die Signale übertragen wurden. Als am Ende der Funktionsumfang aller Übertragungsprotokolle fast identische Eigenschaften aufwiesen, einigten sich die unterschiedlichen Feldbus-Protokolle und arbeiten seitdem zusammen. Für die Betreiber ist dieser Zustand wünschenswert, denn nur so ist ein nachhaltiger Service und Support für eine Übertragungstechnik sicherzustellen. Um die Betreiber-Forderung nach Verfügbarkeit weiter zu unterstützen, wurde in die Remote IO eine interne Diagnose integriert. Diese erkennt interne Grenzwerte und warnt den Betreiber, dass die prozesnah montierte Technologie an der Grenze ihrer Spezifikation betrieben wird. Somit war die Entwicklung rund um die Geräte im Wesentlichen abgeschlossen.

Der Feldbus

Parallel zu den Entwicklungsfortschritten der Remote IO wurde eine neue Signalübertragung vorgestellt: Der Feldbus. Das Konzept war simpel. Es wird ein 2-Leiter-Kabel von der Steuerung zu den Sensoren und Aktoren geführt. Über dieses Kabel wird der Signalaustausch abgewickelt und zusätzlich die Feldgeräte mit Hilfsenergie versorgt. Bekannt war der Feldbus bereits aus der Fabrikautomation. Man benötigt weniger IO-Hardware, lediglich bei den Feldgeräten muss ein entsprechendes Feldbus-Interface hinzugefügt werden. Zusätzlich erfolgt die gesamte Signalübertragung digital. Eine Wandlung auf analoge elektrische Einheitssignale entfällt. Ein weiter Vorteil war die Tatsache, dass der gesamte Signalweg von der Steuerung bis zum Feldgerät diagnosefähig war, d.h. wenn Korrosion oder aggressive Umgebungen die Feldbuskomponenten negativ beeinflussen, konnte der Betreiber vor einem Ausfall der Komponenten gewarnt werden. Erstmals wurde auch die Qualität des Feldbuskabels mit in die Diagnose eingeschlossen. Aber auch diese Lösung bot noch weiteres Entwicklungspotenzial. Um höchste Verfügbarkeit zu bieten, wurden redundante Konzepte für Hilfsenergie-Versorgung und Bustopologie entwickelt. Nach anfänglicher Euphorie für den Feldbus, bemerkte man jedoch schnell, dass auch diese Lösung technische Grenzen aufweist. Der am häufigsten bemängelte Faktor war dabei die Datenübertragungsrate. Diese war im Vergleich zu Remote IO-Lösungen niedriger. Die Folge war, dass nur bis zu zehn Feldgeräten an eine Feldbusleitung angeschlossen wurden. Wenn man aber bedenkt, dass man in einer Prozessanlage viele tausend Feldgeräte benötigt, kann man sich vorstellen wie viele Feldbus-Stammleitungen von der Steuerungsebene zur Produktionsebene geführt werden mussten. Trotzdem hat sich die Feldbustechnik durchgesetzt. Gerade bei Neuanlagen im mittleren Osten und in Asien findet man diese Art der Signalübertragung häufig. In Europa - mit seinen erweiterten Bestandsanlagen - wird dagegen auch heute noch die Remote IO-Lösung genutzt. Einen gravierenden Nachteil weist die Feldbus-Lösung gegenüber der Remote IO-Lösung allerdings auf. Wenn man in einer Anlage nur ein Signalübertragungskonzept verwenden möchte, ist der Feldbus bei der Signalübertragung von binären Sensoren und Aktoren begrenzt. Rein technisch funktioniert die Signalübertragung. In der Praxis jedoch stellt die niedrige Signalübertragungsrate und die (für binäre) Feldgräte entstehenden Zusatzkosten (für das in das Feldgerät zu integrierende Businterface) eine Herausforderung dar. Deshalb werden heute in vielen Anlagen nebeneinander beide Lösungen für die Signalübertragung genutzt. Die Signalübertragung der Analogwerte erfolgt über den Feldbus und die binäre Signalübertragung über Remote IO. Dies verkompliziert für die Betreiber die Signalübertragung, denn das Wartungspersonal muss beide Technologien beherrschen. Im Fehlerfall sind jeweils die richtigen Wartungs- und Diagnosegeräte für das entsprechende Signalübertragungskonzept vor Ort notwendig. Auch die Ersatzteil-Versorgung muss für zwei Konzepte vorhanden sein.

Forderungen der Betreiber

Heute ist dem Betreiber das technische Konzept der Signalübertragung egal. Vielmehr ist dem Betreiber wichtig, dass sich die Komponenten der Signalübertragung einfach in seine Steuerungstechnik integrieren lassen und das seine Grundanforderung nach Anlagensicherheit und -verfügbarkeit erfüllt sind. Eine weitere Herausforderung über die Lebensdauer einer Anlage ist die 'richtige' Ersatzteilversorgung. Dabei muss man mit einer Lebensdauer von mindestens 20 Jahren in der Prozessautomation rechnen. Dieser Hinweis zielt auf die Tatsache, dass sämtliche Komponenten für den digitalen Signalaustausch mit einem Microcontroller inkl. Firmware-Software ausgerüstet sind. Während der Produktevolution wird diese Firmware um Funktionen ergänzt. Das kann zu Abwärtsinkompatibilitäten führen, d.h. der Betreiber hat zwar das physikalisch richtige Ersatzteil, aber die interne Software einen neueren Stand als der Vorgänger. So können Funktionsproblemen auftreten.

Signalübertragung & Industrie 4.0

Die Weiterentwicklung von Systemen für die Signalübertragung zwischen Steuerung und Produktion wird nicht still stehen. Zurzeit werden Ethernet-basierende Konzepte für die Signalübertragung geprüft. Das hätte den Vorteil einer Unternehmensweiten einheitlichen Topologie und Signalübertragung. Doch wenn auch die prozessnahen Komponenten mit in diese Konzept eingeschlossen werden sollen, dann wird es schnell komplex. Dabei ist eine Herausforderung die Anforderungen der Anwender an einen Feldbus. Anwender definieren einen Feldbus als 2-Leiter-Bus für Daten und Hilfsenergie, der mehrere 100m Distanz überbrückt. Das ist mit einer Standard-Ethernet-Topologie zurzeit noch nicht realisierbar. Natürlich muss auch das An- und Abklemmen der Buskomponenten bei laufender Anlage in Ex-Umgebung möglich sein und das alles rückwirkungsfrei. Dann sind da noch die binäre Sensoren und Aktoren. Bisher hat man sich aus Kostengründen gescheut, diese Komponenten direkt an den Feldbus anzuschließen. Hierfür hat man die Remote IO genutzt. Nicht nur die Kosten, sondern auch die Busübertragungsrate sprachen gegen die direkte Anschaltung an den 2-Leiter-Feldbus. Wird ein neues Ethernet-basierendes Konzept für die Signalübertragung diesen Kostennachteil überwinden, oder wird es nach wie vor für digitale Signale eine Art IO-Box geben, die solche Signale verarbeitet? Die Frage bliebt: wie wird die zukünftige Signalübertragung für die Industrie 4.0 aussehen?