Eigensicheres Ethernet: Kupfer oder Lichtwellenleiter?

Eine durchgängige Netzwerkarchitektur, die sich im Idealfall nahtlos vom Feldgerät über die Zellebene bis hin zu Leit- und ERP-Systemen erstreckt, kann eine viel flexiblere, funktional leistungsfähigere Automatisierung möglich machen als bisher übliche Techniken zur Anbindung. Attraktiv ist eine Ethernet-Vernetzung z.B. beim Einsatz moderner HMI-Systeme, weil damit beste Voraussetzungen für den Einsatz der Bedienstationen als Remote-Desktop-Terminals oder Thin-Clients im Ex-Bereich gegeben sind. Selbst Anwendungen wie Soft-SPS oder Scada lassen sich komfortabel nutzen, da ein schnelles Ethernet eine optimale Einbindung in die übrige IT-Infrastruktur des Standorts ermöglicht. Auch die Remote-I/O-Technik, bislang eher eine Domäne des Profibus DP, kann von den Vorteilen des Ethernet profitieren. Wenn die Entscheidung pro Ethernet grundsätzlich gefallen ist, stellt sich allerdings zunächst die Frage nach der konkreten Protokollvariante. In der Fabrikautomation immerhin können Anwender sich an Erfahrungswerten schon recht gut orientieren, und eine Handvoll Favoriten zeichnen sich unter den angebotenen Industrial Ethernet-Protokollen ab. Ob sich bei prozesstechnischen Anwendungen aber z.B. die Spielarten der großen Feldbus-Player breit durchsetzen werden, ist noch wesentlich unklarer. Neben Profibus und Fieldbus Foundation, die erst Anfang 2007 entsprechende Arbeitsgruppen zu Profinet bzw. FF HSE gegründet haben, können aus einer zweistelligen Zahl alternativer real-time-fähiger Protokoll-Varianten je nach Anwendung durchaus eine ganze Reihe als Ethernet-Lösung in Betracht kommen, so dass die Entscheidung schwerer fällt. Zusatzanforderung Explosionsschutz Mit Netzwerk-Know-how allein lässt sich zudem in vielen Fällen die Ethernet-Vernetzung noch nicht projektieren. Denn in explosionsgefährdeten Anlagenbereichen, die gerade in der Prozessindustrie häufig anzutreffen sind, erfordert die Implementierung auf rein physikalischer Ebene zusätzlich noch Kenntnisse im Explosionsschutz. Die bei Industrial Ethernet üblichen hohen Übertragungsraten von bis zu 100MBit/s machen Explosionsschutzmaßnahmen schwieriger als bei den existierenden Feldbustechnologien wie etwa dem Profibus PA oder dem Foundation Fieldbus H1, die lediglich 31,25kBit/s erreichen. Worauf ist zu achten, damit die Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre sicher vermieden wird – oder zumindest die Auswirkungen von Explosionen begrenzt werden? Es gibt unterschiedliche Lösungsansätze. Üblich sind im elektrischen Explosionsschutz, also für Kupferkabel-Netze, vor allem die druckfeste Kapselung (Ex d), eine Auslegung in erhöhter Sicherheit (Ex e) oder die Ausführung in eigensicherer Bauart (Ex i). Auch wo kein Strom fließt, kann aber ein Risiko bestehen – bei optischen Leitern nämlich durch Lichtenergie. Sicheren Schutz vor Zündungen bieten bei Glasfasernetzen laut der relativ neuen Norm IEC/EN 60079-28 (\’Explosive atmospheres – Part 28: Protection of equipment and transmission systems using optical radiation\‘) entweder Verriegelungsvorkehrungen zur Unterbrechung optischer Strahlung (Ex op sh) oder der Einsatz geschützter optischer Strahlung (Ex op pr) oder eigensicherer optischer Strahlung (Ex op is). Wartung im laufenden Betrieb Als Zündschutzart der Wahl hat sich für einen Großteil aller Industrial Ethernet-Installationen die Eigensicherheit entpuppt – sowohl in Form der elektrischen Eigensicherheit bei Twisted Pair-Kabeln als auch der optischen Eigensicherheit bei Lichtleitern. Der vielleicht wichtigste Vorteil der Schutzart liegt in der bequemen Handhabung. Dies gilt besonders dann, wenn häufige Eingriffe in eine Anlage erforderlich sind, relativ kurze Prüf- und Wartungsintervalle vorgegeben werden oder Anlagenstillstände enorme Kosten verursachen. Betriebsmittel in Schutzart Ex i bzw. Ex op is sind hot swap-fähig, können dabei also in explosionsgefährdeten Bereichen in Betrieb bleiben. Bei alternativen Schutzarten wie zum Beispiel der druckfesten Kapselung \’d\‘ oder der erhöhten Sicherheit \’e\‘ ist hingegen nicht nur eine Abschaltung erforderlich, sondern Servicearbeiten dürfen zudem oft nur mit besonderen Genehmigungen erledigt werden. Unter Umständen, wenn z.B. gekapselte Gehäuse geöffnet und wieder verschlossen werden müssen, darf dies sogar nur außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs und unter kontrollierten Bedingungen stattfinden. Wichtiger ist die bequeme Wartungsmöglichkeit bei Eigensicherheit auch deshalb geworden, weil viele Anlagen neben Explosionsschutzmerkmalen auch Anforderungen der Funktionalen Sicherheit gemäß IEC61511 erfüllen müssen. Während im Explosionsschutz oft nur dreijährige Wartungsintervalle verlangt werden, schreiben Bestimmungen zur Funktionalen Sicherheit oft deutlich kürzere Abstände zwischen Überprüfungen vor. In vielen Fällen gilt beispielsweise ein jährlicher Turnus für den Test der Sicherheitskreise. Die Hot Swap-Fähigkeit eigensicherer Technik wiegt gerade unter solchen Bedingungen häufig die Mehrkosten auf, die durch das aufwändige technische Design für diese Schutzart anfallen. Streng kontrollierter Stromfluss Viele Installationen setzen nach wie vor auf klassische TP-Kupferkabel. Ex i-Betriebsmittel für solche Netze enthalten nur eigensichere Stromkreise. D.h., dass kein Funke und kein thermischer Effekt, die unter festgelegten Prüfungsbedingungen (nämlich im normalen Betrieb sowie unter bestimmten Fehlerbedingungen) auftreten, die Zündung einer spezifizierten explosionsfähigen Atmosphäre verursachen kann. Das Schutzprinzip der Eigensicherheit basiert auf der Strom-, Spannungs- und Leistungsbegrenzung der Sig-nale, die in den explosionsgefährdeten Bereich gehen. Unterschieden wird nach Ein- und Zwei-Fehler-Sicherheit, nach der eine Kategorisierung mit der Bezeichnung \’ib\‘ bzw. \’ia\‘ erfolgt. Diese weist auch die Verwendbarkeit der entsprechenden Geräte für Zone 1- oder Zone 0-Stromkreise aus. Klassisch sind eigensichere Lösungen zur Anbindung von 4 bis 20mA-Signalen über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit konventionellen Trennstufen oder Sicherheitsbarrieren. Daneben haben sich eigensichere Remote I/O-Sys-teme etabliert, und unterschiedliche Feldbuslösungen sind seit einiger Zeit verbreitet anzutreffen. Zur Implementierung der eigensicheren Bauart für Industrial Ethernet-Netze muss aufgrund der schon erwähnten hohen Übertragungsrate jedoch ein besonderes Augenmerk auf das Design und die Qualität üblicher Bauelemente wie Z-Dioden, Transistoren, Übertrager und Optokoppler gelegt werden. Elektrische Eigensicherheit im Ethernet Ohne entsprechend hochwertige Komponenten und ein sauberes Hochfrequenzdesign kommt es zu Signalverzerrungen und damit zu Übertragungsfehlern. Die Ex i-Trennstufe für die Ethernet-Leitung sollte zweckmäßigerweise in den sowieso benötigten Switch integriert werden, um möglichst wenig störende Verbindungselemente im Signalweg zu haben und natürlich die Installationskosten zu verringern. Beim Aufbau von vermaschten Ethernet-Strukturen sieht man sich rasch mit der Frage des Nachweises der Eigensicherheit bei der Zusammenschaltung von Trennstufen bzw. Switches und Ethernet-Teilnehmern konfrontiert. Die Problematik erinnert ein bisschen an die Anfänge der Feldbustechnik für explosionsgefährdete Bereiche, als man zunächst das Fisco-Modell (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) entwickeln musste, um eine akzeptable Lösung zu schaffen. Momentan muss der Nachweis der Eigensicherheit \’zu Fuß\‘ durchgeführt werden, was mangels Standardisierung von Ex-Parametern für Ex i Ethernet recht aufwendig sein kann. Alternativ zur Schutzart Ex i kann unter Umständen eine kos­tengünstigere hot swap-fähige Lösung in erhöhter Sicherheit (Ex e) implementiert werden. Für diese ist dann aber in jedem Fall die Verwendung spezieller Steckverbinder notwendig, die dann jedoch nicht mehr den Ethernet-Standards entsprechen. Selbst wenn es sich um hochwertig geschirmte CAT7-Kabel handelt, können mit eigensicheren Kupferleitungen aber nur eher überschaubare Netze mit maximalen Distanzen bis etwa 100m aufgebaut werden. Solche Leitungslängen sind für Anwendungen in der Verfahrenstechnik häufig viel zu kurz. Und selbst bei diesen relativ kurzen Entfernungen steht und fällt die Qualität und damit die Verfügbarkeit des Netzwerks mit dem erforderlichen hochwertigen Schirmungs- und Erdungskonzept und dem EMV-Design der Anlage. Wohl dosierte Lichtleistung In vielen Fällen werden daher statt Kupferkabeln Lichtwellenleiter verlegt, mit denen sich weitläufigere Netze aufbauen lassen. Zudem kann dabei flexibler vorgegangen werden. Erstens sind LWL im Feld und im laufenden Betrieb problemlos konfektionierbar. Zweitens sind bis zu 2.000m Leitungslänge kein Problem. LWL sind darüber hinaus nicht anfällig für elektromagnetische Störungen, die gerade bei nachgerüsteten Netzen in komplexen Anlagen mit vielen Umrichtern und Motoren häufig zu Problemen führen. Allerdings kommt bei der Verwendung optischer Leitungen eine wenig beachtete Zündquelle ins Spiel: Neben den viel geläufigeren elektrischen Explosionsrisiken wie Funken und Erwärmung kann nämlich auch durch optische Strahlung bei einem Kabelschaden oder einem sich öffnenden Steckverbinder eine Explosion drohen. Wenn Licht auf einen kleinen Punkt fokussiert wird, wird die Energie gebündelt – im Brennpunkt ist sie um ein Vielfaches stärker als in der Fläche. Und ein optischer Leiter fokussiert Licht auf einen sehr kleinen Punkt. Dieses Risiko müssen Anwender kennen und einschätzen können, um gemeinsam mit einem Ex-Schutz-Spezialisten eine sichere und angemessene Auslegung wählen zu können. Vier mögliche Zündmechanismen müssen vermieden werden: Erstens die Erhitzung von Partikeln durch optische Strahlung und das dadurch bedingte Erreichen einer zündfähigen Oberflächentemperatur, zweitens die thermische Zündung einer Gasmenge dadurch, dass die optische Wellenlänge einem Absorptionsband des Gases entspricht – dies ist eine Art Resonanzeffekt, drittens eine fotochemische Zündung aufgrund fotochemischer Dissoziation von Sauerstoffmolekülen durch Strahlung im Ultraviolett-Bereich, und schließlich viertens der direkte laserinduzierte Durchschlag eines Gases im Brennpunkt eines starken Strahles und die Erzeugung von Plasma oder einer Stoßwelle, die beide dann möglicherweise als Zündquelle wirken können. Optische Eigensicherheit – die ideale Lösung? In der Praxis stellt das größte Risiko durch Licht jede Art dadurch ausgelöster Erwärmung dar: Sowohl Partikel in der Atmosphäre als auch die Oberflächen von Geräten im Ex-Bereich können prinzipiell jegliche optische Strahlung absorbieren. Und schon eine sehr moderate dadurch ausgelöste Erhitzung kann ausreichen, um bestimmte Gase oder Gemische in der Umgebung zu zünden. Ein paar Dutzend oder wenige 100mW an Lichtenergie, die z.B. nach einem Kabelbruch bloß auf eine bleistiftspitzengroße Fläche fallen, können durchaus mehr als genug sein. Bei optischen Signalen, die durch Gasatmosphären geführt werden, wird bei Leitungen in optisch eigensicherer Schutzart (Ex op is) deshalb die Lichtenergie limitiert, die maximal austreten kann – im normalen Betrieb aber vor allem im Fehlerfall, also z.B. einer Übersteuerung des Senders. So wird sichergestellt, dass bei einem Kabelbruch weder eine bestimmte Bestrahlungsstärke, d.h. ein Energiewert pro Fläche, überschritten wird, noch eine – unabhängig von der Streuung – bereits absolut zu hohe Lichtenergie freigesetzt wird. Dies erfordert speziell gebaute und zertifizierte Sender und Empfänger. Kritisch ist bei vielen Anwendungen z.B., dass typische Switches mit optischen Ausgängen bereits nahe oder sogar oberhalb der zulässigen maximalen Lichtleistung senden – ganz zu schweigen von der austretenden Lichtleistung im Fehlerfall. Für Installationen in Zone 1 ist eine Prüfbescheinigung für Switches und Endgeräte unabdingbar. Je nach Explosionsgruppe und Zündtemperaturklasse der Atmosphäre in einer Anwendung gelten unterschiedliche Grenzwerte für die Lichtenergie. Konkret liegen diese bei 5 oder 20mW/mm² respektive – für den streuungsunabhängigen Absolutwert – bei 15, 35 oder 150mW bei Dauerbestrahlung. Für gepulste Strahlung gelten besondere Regeln, die sich in Kapitel 5.2.3 der IEC/EN 60079-28 finden. Insbesondere für die Remote-I/O-Technologie bietet sich somit der Einsatz von Ex op is-Lichtwellenleitern an: Sie gewährleisten hohe Datenübertragungsraten, überbrücken große Entfernungen, bieten Hot-Plug-Fähigkeit in der Zone 1 und beste Verfügbarkeit des Netzwerks durch den Ausschluss von EMV- und Erdungsproblemen. Sollten kritische Parameter der Anwendung eigensicher ausgelegte Technik ausschließen, muss auf Alternativen ausgewichen werden. In Frage kommt dann eine der anderen in der IEC/EN 60079-28 genannten Schutzarten, nämlich geschützte optische Strahlung (\’Ex op pr\‘), die z.B. auch Leitungslängen bis 4.000m möglich macht, allerdings keine Hot-Plug-Fähigkeit bietet, oder eine sichere Störfallerkennung mit Unterbrechung und Sperrung des optischen Signals (\’Ex op sh\‘). Für diese allerdings sind bis dato weltweit noch keine Produkte am Markt verfügbar.