Explosionsschutz: Funkbasierte Gerätekommunikation mit Ethernet nutzen

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Betreiber prozesstechnischer Anlagen, die in explosionsgefährdeten Bereichen eine funkbasierte Gerätekommunikation implementieren wollten, durften bei der Wahl von Access Points bislang nicht wählerisch sein. Das Problem: Modelle mit Ex-Zulassung enthalten meist kein zentrales Netzwerk-Management.
Explosionsschutz

Quelle: R. STAHL Schaltgeräte GmbH

Im Hinblick auf einheitliche, interoperable Standards treiben führende Hersteller und Organisationen die Entwicklung eigensicherer Ethernet-Konzepte voran und wirken aktiv an der Ausgestaltung neuer Plattformlösungen für die digitale Industrieautomatisierung, inklusive Explosionsschutz, mit.

Explosionsschutz im Ethernet

Das wachsende Datenaufkommen in der Prozessautomation erfordert höhere Bandbreiten und schnellere Übertragungsraten, um Prozesse möglichst in Echtzeit überwachen und steuern zu können. Zusätzliche Anforderungen ergeben sich aus dem steigendem Bedarf nach Diagnosedaten und Geräteinformationen. Damit wächst die Bedeutung einer durchgängigen Ethernet-Vernetzung ganzer Industrieanlagen. Mit EtherNet/IP, HART-IP, und Profinet haben sich verschiedene Standards für die IP-Kommunikation in der Prozesstechnik etabliert.

Industrial Ethernet zeichnet sich durch eine deterministische Datenübertragung sowie robust ausgeführte Komponenten mit erweiterter Temperaturbeständigkeit und erhöhtem IP-Schutz aus. In der Prozessindustrie unterliegt der Ethernet-Einsatz zusätzlichen Bedingungen. Dazu zählt neben langen Betriebszyklen von Prozessleitsystemen, Feldgeräten und installierter Infrastruktur auch ein praktikabler Explosionsschutz, um die Vernetzung bis in die Feldebene einschließlich der als explosionsgefährdet ausgewiesenen Bereiche zu realisieren.

Vielfältige Installationsoptionen bis in Zone 1

Unter Einbeziehung entsprechender Schutzmaßnahmen können CAT-Kupferleitungen auch in explosionsgefährdeten Bereichen verlegt werden. Den erforderlichen Ex-Schutz stellen elektromechanische Maßnahmen zum Explosionsschutz nach den Vorgaben der erhöhten Sicherheit „e“ sicher. Da gängige RJ45-Stecker nicht für Anwendungen in Zone 1 geeignet sind und die Leitungseinführung in druckfest gekapselte Ex d-Gehäuse hohen Aufwand bedeutet, verwendet man hierfür speziell für Zone 1 zugelassene Ex-e-Klemmen mit Zugfedertechnik. Damit lassen sich Ethernet-Kabel mit bis zu acht Adern und Übertragungsraten bis 1 GBit/s sowie Power-over-Ethernet in einem abgesetzten, leicht zugänglichen Ex-e-Anschlussraum sehr einfach installieren.

Zur Vernetzung auch entlegener Ex-Bereiche via Ethernet bietet sich die Anbindung über Lichtwellenleiter an. Die störsichere LWL-Verkabelung bedarf weder aufwändiger Erdung noch Schirmung und ermöglicht den Datenaustausch von Sensoren und Aktoren, Remote I/O-Systemen, Kontroll- und Überwachungskameras über kilometerlange Distanzen. Potenzielle Zündgefahren werden gemäß der Zündschutzart „op is“ nach DIN EN 60079-28 unterbunden, indem die optische Energie des Lichtbündels auf ein nicht-zündfähiges Maß begrenzt wird. Derart geschützte Installationen ermöglichen auch im Ex-Bereich den Aufbau optischer Ringe mit komfortablen Diagnose- und Meldefunktionen. Hierfür stehen entsprechende Medienkonverter und Switches für die Zone 1 und 2 zur Verfügung.

ExplosionsschutzQuelle: R. Stahl Schaltgeräte GmbH
Remote-I/O-Systeme unterstützen die explosionsgeschützte Ethernet-Übertragung mit einer LWL-Anbindung.

Eigensicheres Ethernet setzt neue Standards im Explosionsschutz

Zwar kommen Lichtwellenleiter mit „op is“ schon seit Langem als Lösung zum Einsatz, doch häufig fordern Anwendungen und Anwender die Verwendung von Kupferkabeln in explosionsgefährdeten Bereichen. Beispielsweise wird in der NAMUR-Empfehlung NE168 „Anforderungen an ein Ethernet-Kommunikationssystem für die Feldebene“ der Einsatz von zweiadrigen Kabeln zum Anschluss von Feldgeräten spezifiziert. Hierfür hat sich in der Prozessindustrie die Zündschutzart „Eigensicherheit“ als Explosionsschutz bewährt und global etabliert. Standards zur interoperablen eigensicheren Ethernet-Vernetzung von Feldgeräten und Systemen eröffnen neue Möglichkeiten für die digitale Prozessautomatisierung.

Der Geräteschutz durch Eigensicherheit erfordert gemäß DIN EN 60079-11 die Begrenzung der Energiemenge in einem Stromkreis auf ein nicht-zündfähiges Maß, so dass Funken und thermische Effekte nicht als Zündquellen wirken können. Eigensichere Feldbus-Systeme wie PROFIBUS DP über RS485-IS kommen seit Langem zur Vernetzung von Remote I/Os, Bedienterminals und Analysegeräten zum Einsatz. Für die digitale Kommunikation bis zum Feldgerät werden heute oft eigensichere 2-Draht-Feldbusinstallationen mit Profibus PA sowie Foundation fieldbus H1 verwendet.

Die entscheidenden Vorzüge der Zündschutzart Eigensicherheit liegen in der unkomplizierten und komfortablen Handhabung eigensicherer Geräte, weil Umbau- und Wartungsarbeiten an eigensicheren Stromkreisen oder Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen durchgeführt werden können. Da die Notwendigkeit einer Gehäusekapselung entfällt, erübrigen sich aufwändigere Schutzmaßnahmen wie der Einsatz von d- oder p-Gehäusen. Erweiterungen oder Reparaturen dürfen unter Spannung (hot work) durchgeführt sowie Geräte ohne vollständige Abschaltung von Anlagen oder Anlagenteilen hinzugefügt oder getrennt (hot swap) werden.

Die hohe Flexibilität macht die Zündschutzart Eigensicherheit auch für die Ethernet-Vernetzung im Ex-Bereich attraktiv. Um zukunftsfähige Lösungen für ein interoperables und eigensicheres Ethernet zu entwickeln, hat sich R. STAHL mit anderen Herstellern in zwei Arbeitsgruppen zusammengetan. Beide Arbeitsgruppen – das Advanced Physical Layer (APL) Project und die Intrinsically Safe Ethernet Working Group – erarbeiten derzeit internationale Standards für ein eigensicheres Ethernet auf Grundlage der 10BASE-T1L- bzw. der 100BASE-TX-Technologie.

Feld-Vernetzung bis in Zone 0

Zur ACHEMA 2021 soll Ethernet-APL als dedizierte Lösung für den Einsatz eigensicherer 2-Leiter-Feldgeräte in der Prozessautomatisierung verfügbar sein. Die Technologie basiert auf dem Physical Layer von Single Pair Ethernet (SPE) 10BASE‑T1L nach der Spezifikation IEEE Std 802.3cg-2019. SPE verwendet 2‑Draht-Leitungen, um Entfernungen bis 1.000 m mit Übertragungsraten von 10 Mbit/s zu überbrücken und angeschlossene Geräte optional mittels PoDL (Power over Data Line) zu versorgen. Ethernet-APL ist zu SPE kompatibel, verwendet allerdings ein von PoDL abweichendes Speisekonzept für Feldgeräte, um die Verwendung der Zündschutzart Eigensicherheit zu ermöglichen.

Voraussichtlich werden auch andere Steckverbinder bzw. Klemmverbindungen zum Einsatz kommen, um den Anforderungen der Prozessautomatisierung zu genügen.  An der Entwicklung von Ethernet-APL wirken neben Herstellern auch die führenden Industrie-Organisationen mit, um die Kompatibilität mit den Kommunikationsprotokollen HART-IP (FieldComm Group, FCG), EtherNet/IP (ODVA) und Profinet (Profibus und Profinet International, PI) zu gewährleisten.

Der in Anlehnung an das FISCO-Konzept (Fieldbus Intrinsically Safe Concept, siehe IEC 60079-11 und -25) und zusammen mit der Dekra Exam konzipierte 2-WISE-Explosionsschutz (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) für eigensichere 2-Draht-Feldbus-Systeme ermöglicht den Feldeinsatz bis in Zone 0 gemäß ATEX und IECEx sowie DIV 1 bei Installationen im NEC-Geltungsbereich. Durch standardisierte Ex-i-Parameter können Ethernet-APL-Geräte unterschiedlicher Hersteller ohne rechnerischen Eigensicherheitsnachweis und ohne Berücksichtigung von Kabelparametern im Rahmen der spezifizierten Randbedingungen von Ethernet-APL und 2-WISE zusammengeschaltet werden.

Um die Migration bestehender Feldbusinstallationen möglichst einfach zu gestalten, sind bei 2-WISE mit FISCO kompatible Ex i-Parameter spezifiziert und auch Feldbuskabel des Typs A weiterhin einsetzbar. Das 2-WISE Konzept wird derzeit bei IEC durch das Project Team PT 60079-47 zur Normung vorbereitet. Bis 2021 soll eine technische Spezifikation als IEC TS 60079-47 “Equipment protection by 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet concept (2-WISE)” vorliegen, so dass Ethernet-APL Geräte baldmöglichst bescheinigt werden können.

ExplosionsschutzQuelle: R. Stahl Schaltgeräte GmbH
Beispiel-Topologie für den Einsatz von Ethernet-APL in Prozessanlagen.

Ethernet-APL gestattet unterschiedliche Installationskonzepte. Ein Beispiel: Ein APL Power Switch versorgt das Netzwerk (Trunk) mit bis zu 60 W Leistung. Im Feld installierte, vom Trunk gespeiste APL Field Switches wandeln die zugeführte Energie in eigensichere Energie und verteilen diese auf mehrere Abgänge (Spurs). An diesen bis zu 200 m langen Ex i-Spurs werden die Feldgeräte betrieben, die je nach Ausprägung als ia-, ib- oder ic-Stromkreise entsprechend in Zone 0, 1 oder 2 installiert sein können. Durch eine Kaskadierung der APL Field Switches lassen sich in Summe ca. 50 Ex i-Feldgeräte je APL-Netzwerk betreiben. Auch fremdgespeiste Ethernet-APL Switches mit Anbindung an andere Ethernet-Netzwerke wie z.B. 100BASE-TX sind möglich. Bei Verzicht auf die „hot-swap“ bzw. „hot-work“ Eigenschaften der Eigensicherheit unterstützt Ethernet-APL genauso Feldgeräte mit Zündschutzarten wie druckfeste Kapselung „d“ oder Vergusskapselung „m“.

Hohe Bandbreiten bei großer Kompatibilität

Zur IP-Vernetzung von Bedienterminals, Analysegeräten oder auch Remote I/O Systemen, die höhere Bandbreiten und mehr Energie benötigen, arbeitet R. STAHL in der Intrinsically Safe Ethernet Working Group an einer eigensicheren Variante des weit verbreiteten 100BASE-TX-Ethernet, auch bekannt als Fast Ethernet. Der neue 100BASE-TX-IS-Standard stellt hohe Datenraten mit 100 Mbit/s für die Prozessteuerung, Datenerfassung und -auswertung zur Verfügung. Das explosionsgeschützte 4-Draht-Ethernet ist vollständig interoperabel zum Industriestandard IEEE 802.3 und ermöglicht in Verbindung mit eigensicherem Frontend und ggf. galvanischen Trennungen die Anbindung konventioneller Industrieelektronik unter Weiterverwendung der Media Access Control (MAC) sowie des PHY.

Im Unterschied zu Ethernet-APL bietet 100BASE-TX‑IS keine Speisung über das Netzwerk. Zudem ist der Übertragungsweg mittels CAT-Kabel auf die Ethernet-üblichen 100 m begrenzt. Für deutlich größere Entfernungen bis 30 km sind 100BASE-TX-IS-Switches und Medienkonverter mit zusätzlichen LWL-Schnittstellen z. B. in Zündschutzart „op is“ in der Entwicklung. Ähnlich wie Ethernet-APL erfordert 100BASE-TX-IS keinen aufwändigen Nachweis der Eigensicherheit. Ein Vergleich der Teilnehmer auf Konformität zum zu Grunde liegenden Standard ist ausreichend.

ExplosionsschutzQuelle: R. Stahl Schaltgeräte GmbH
Beispiel-Topologie für eine 100BASE-TX-IS-Vernetzung.

Da die Randparameter einer 100Base-TX-IS Installation bekannt sind – genau zwei Teilnehmer (damit zwei Energiequellen) in Punkt-zu-Punkt-Verbindung über CAT 5/6/7 Kabel und eine Distanz von max. 100 m – lässt sich auf Basis der IEC 60079-25 „Eigensichere Systeme“ ein allgemeingültiger Eigensicherheitsnachweis führen. Dies wurde bereits exemplarisch von der PTB mit dem Tool ISpark durchgeführt und dokumentiert. Somit sind keine Berechnungen durch den Planer erforderlich, der Nachweis der Eigensicherheit bleibt auf die Dokumentation bzw. das erforderliche Dokument über den Explosionsschutz der Installation beschränkt.

100Base-TX-IS soll in die Normenreihen der IEC 61158-2 „Industrielle Kommunikationsnetze – Feldbusse – Teil 2: Spezifikation und Dienstfestlegungen des Physical Layer (Bitübertragungsschicht)“ bzw. IEC 61784 „Industrielle Kommunikationsnetze“ integriert werden, ähnlich wie der eigensichere Feldbus RS485-IS, der bei der Installation von PROFIBUS DP-Netzwerken in explosionsgefährdeten Bereichen häufig zum Einsatz kommt. Erste 100BASE-TX-IS Geräte könnten noch in 2020 auf den Markt kommen, da der „Ex i-Umbau“ von 100BASE-TX Schnittstellen sowie die zugehörige EU-Baumusterprüfbescheinigung mit überschaubarem Aufwand möglich ist.

Bandbreitenstarke IP-Vernetzung in der Prozessindustrie

Die Digitalisierung verändert ganze Industrien und bestimmt die künftige Wettbewerbsfähigkeit. Bereits heute stehen der Prozessindustrie probate Lösungen für eine bandbreitenstarke IP-Vernetzung im Ex-Bereich zur Verfügung. Mit Ethernet-APL und 100BASE-TX-IS treibt R. STAHL im Verbund mit anderen Unternehmen und Industrie-Organisationen die Entwicklung neuer Standards für ein eigensicheres Ethernet voran.

Beide Lösungen sind seitens der Kommunikationsprotokolle völlig transparent, unterstützen ebenso EtherNet/IP, PROFINET wie HART-IP und lassen sich vielseitig kombinieren. Zum Beispiel können eigensichere 2-Draht-Ethernet-Feldgeräte über Field Switches angeschlossen und von einem eigensicheren 100BASE-TX-IS-Backbone mit Remote-I/O-Systemen und dem Leitsystem verbunden werden. Darüber hinaus wirkt R. Stahl im Rahmen von ATEX und IECEx aktiv an der Normgebung und bei verwandten Zukunftsthemen wie der NAMUR Open Architecture (NOA) und dem Open Process Automation Forum (OPAF) mit.

Lesen Sie auch: Industrial Ethernet für die zukunftsfähige Digitalisierung der Prozessautomation

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