Optisch eigensicher: LWL-Ethernet für die Prozessautomatisierung

Verdrillte Kupferadern ziehen beim Ethernet-Aufbau in Prozessanlagen immer öfter den Kürzeren im ziemlich wörtlichen Sinne: Selbst mit hochwertig geschirmten Cat7-Kabeln können nur überschaubare Netze mit Distanzen bis maximal 100m aufgebaut werden. Solche Leitungslängen sind für Anwendungen in der Verfahrenstechnik häufig viel zu kurz. Hinzu kommt, dass selbst bei relativ kurzen Entfernungen Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit eines TP-Kabelnetzes auf ein funktionierendes Erdungs- und Schirmungskonzept, sprich ein ausgereiftes und teures EMV-Design des Gesamtsystems, angewiesen sind. Elektromagnetische Störungen sind gerade bei nachgerüsteten Netzen in komplexen Anlagen, in denen viele Umrichter und Motoren arbeiten, eine gewichtige Problemquelle. Vorteile optischer Netze Von der EMV-Problematik sind Glas- oder Kunststofffasern prinzipbedingt nicht betroffen. In optischen Netzen sind zudem Leitungslängen bis 2.000m oder sogar mehr ohne weiteres möglich. Diese Vorteile vereinfachen es Anwendern, eine durchgängige Netzwerkarchitektur vom Feld über die Zellebene bis hin zu Leit- und ERP-Systemen zu etablieren, um so die Vorteile der Ethernet-Vernetzung ausschöpfen zu können. Ein Beispiel dafür ist die Anbindung moderner HMI-Systeme mit großen hochauflösenden Bildschirmen im Ex-Bereich, die via Ethernet als Remote-Desktop-Terminals oder Thin Clients flexiblere und leistungsfähigere Funktionen bieten können, als dies in konventionellen Automatisierungslösungen möglich wäre. Selbst Anwendungen wie Soft-SPS oder Scada lassen sich in einem durchgängigen optischen Netzwerk komfortabel nutzen, da das schnelle Ethernet eine optimale Einbindung in die übrige IT-Infrastruktur des Standorts ermöglicht. Daneben kann z.B. auch Remote-I/O-Technik im Ex-Bereich von Vorzügen der Ethernet-Technologie profitieren, da große Datenmengen möglichst schnell über große Entfernungen übertragen werden. Voraussetzung ist allerdings, dass im LWL-Netz keine Zündung möglich ist. Licht als Explosionsgefahr Bei einem Kabelschaden oder einem sich öffnenden Steckverbinder kann durch optische Strahlung eine Explosion ausgelöst werden. In der Praxis ist das größte Risiko jede Art von unzulässiger Erwärmung, die durch Licht verursacht wird: Sowohl Partikel in der Atmosphäre als auch die Oberflächen von Geräten im Ex-Bereich können prinzipiell jegliche optische Strahlung absorbieren. Bei optischen Signalen, die durch Gas- oder Staubatmosphären geführt werden, wird bei Leitungen in optisch eigensicherer Schutzart (Ex op is) deshalb die Lichtenergie limitiert, die maximal austreten kann. Das betrifft zum einen den normalen Betrieb, zum anderen den Fehlerfall, also z.B. bei Übersteuerung eines 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. Das erfordert z.B. speziell gebaute und zertifizierte Sender und Empfänger. Kritisch ist bei vielen Anwendungen, dass typische Switches mit optischen Parts 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 Temperaturklasse der Atmosphäre in einer Anwendung gelten unterschiedliche Grenzwerte für die Lichtenergie bzw. Bestrahlungsstärke. Konkret liegen diese bei 5 oder 20mW/mm² respektive für den streuungsunabhängigen Absolutwert bei 15, 35 oder 150 mW bei Dauerbestrahlung. Für gepulste Strahlung gelten besondere Regeln, die sich in Kapitel 5.2.3 der IEC/EN60079-28 finden. Eigensicherheit schafft Komfort Wie ein Glasfasernetz beschaffen sein muss, um eine Zündung explosionsfähiger Atmosphären zu verhindern, ist in der Norm IEC/EN60079-28 beschrieben (\’Explosive atmospheres Part 28: Protection of equipment and transmission systems using optical radiation\‘). Neben eigensicherer optischer Strahlung (Ex op is) ist alternativ geschützte optische Strahlung (Ex op pr) zulässig. Außerdem sind Verriegelungsvorkehrungen eine Option, die die optische Strahlung im Fehlerfall zuverlässig unterbrechen (Ex op sh). Besonders Kabel in der Schutzart Ex op is, also die eigensichere Variante, stellen eine gute Lösung zur Vernetzung dar. Ex op is-Systeme sind nicht nur schnell, unempfindlich gegen elektromagnetische Einstrahlungen und können große Entfernungen überbrücken, sondern sie unterstützen zusätzlich das Hot Swapping von Geräten in der Zone 1. Sollten kritische Parameter einer Anwendung allerdings eigensicher ausgelegte Technik ausschließen, muss auf Alternativen ausgewichen werden. Geschützte optische Strahlung (\’Ex op pr\‘) macht dann zwar sogar Leitungslängen bis 4.000m möglich, bietet allerdings keine Hot Swap-Fähigkeit. Produkte in der Schutzart Ex op sh wiederum, die eine sichere Störfallerkennung mit Unterbrechung und Sperrung des optischen Signals gewährleisten, sind bis dato weltweit noch nicht am Markt verfügbar. Optional redundant vernetzen Aktuelle Komponenten machen in einem eigensicheren LWL-Netz eine Reihe entscheidende Leistungs-, Sicherheits- und Komfortmerkmale der Feldbus-Technologie zugänglich. Beispielsweise der LWL-Trennübertrager ISpac 9186, der in Ausführungen sowohl für Zone 1 als auch für Zone 2 und für den sicheren Bereich erhältlich ist, ermöglicht neben Punkt-zu-Punkt- oder Linien-Vernetzung den Aufbau redundanter Ringstrukturen für Profibus DP oder Modbus RTU. Durch eigensichere Auslegung sowohl der optischen als auch der elektrischen Schnittstellen der Geräte können alle Leitungen im laufenden Anlagenbetrieb vor Ort installiert, gezogen, gewechselt und wieder gesteckt werden. Ein weiteres, sofort augenfälliges Ausstattungsmerkmal sorgt für eine komfortable Diagnose: Ein LED-Leuchtband an der Front zeigt an jedem Trennübertrager permanent den Pegel des optischen Signals an. Drohende Ausfälle lassen sich so schon im Vorfeld direkt am betreffenden Gerät erkennen (\’predictive maintenance\‘). Fällt die Signalstärke in einen kritischen Bereich ab, wird das über einen potenzialfreien Kontakt gemeldet. Der LWL-Trennübertrager wird z.B. zum optisch eigensicheren Betrieb des Remote I/O-System IS1 am Profibus DP in der Zone 1 verwendet. Kommunikation via Modbus TCP Mit der Ethernet-Ausführung des R. Stahl Remote I/O-Systems IS1 betritt optisch eigensicheres Ethernet mit Modbus TCP den Ex-Bereich in der Verfahrenstechnik. Zwar fehlen dem Modbus TCP-Protokoll standardisierte Mechanismen zur Konfiguration, Parametrierung und Diagnose, ein von R. Stahl entwickelter DTM macht IS1-Systeme aber entsprechend für Standard-Softwarepakete wie Pactware, Fieldcare und Fieldmate zugänglich. Modbus TCP wird zudem von fast allen Leitsystemen, etwa Emerson Delta V oder Yokogawa Centum CS, unterstützt. Wie bereits bei Profibus DP und Modbus RTU, kann auch die Ethernet-angepasste IS1-Variante, die aus zwei separaten Baugruppen besteht, im Betrieb unter Spannung in der Zone 1 ausgetauscht werden. IS1 für Ethernet kann sowohl an einem redundanten Ethernet als auch an einem einfachen Ethernet mit Versorgungsredundanz der CPU-Baugruppe betrieben werden. Beim Ausfall einer der Anbindungen kann das System binnen 200ms umschalten – schneller, als es mit Standard-Ethernet-Me­chanismen wie Rapid Spanning Tree möglich wäre. Die Lösung ist daher für nahezu alle Anwendungen der Verfahrenstechnik einsetzbar. Hot Swapping spart Kosten Die einfache Handhabung mithilfe von Hot Swapping ist gerade dann wichtig, wenn häufige Eingriffe/Umbauten in eine Anlage erforderlich sind, Anlagenstillstände hohe Kosten verursachen oder relativ kurze Prüf- und Wartungsintervalle vorgeschrieben sind. Letzteres ist auch deshalb immer häufiger der Fall, weil viele Anlagen neben Explosionsschutzmerkmalen Anforderungen der Funktionalen Sicherheit gemäß IEC61508/61511 erfüllen müssen. Während im Explosionsschutz bis zu dreijährige Wartungsintervalle verlangt werden, können Bestimmungen zur Funktionalen Sicherheit oft deutlich kürzere Abstände zwischen Überprüfungen vorschreiben. In vielen Fällen gilt beispielsweise ein jährlicher Turnus für den Test der Sicherheitskreise (Tproof). Deshalb hat sich die optische Eigensicherheit als Zündschutzart der Wahl für einen Großteil aller Industrial-Ethernet-Ins­tallationen auf Glasfaser-Basis entwickelt. Die Hot-Swap-Fähig­keit, die bei optischen Netzen nur Technik in Ex op is bietet, wiegt in vielen Prozessanlagen schnell die Mehrkosten auf, die durch das etwas aufwendigere technische Design für diese Schutzart anfallen.