Feldkommunikation für die digitalen Zukunft

Vor 30 Jahren betrat R. STAHL mit der Entwicklung seines ersten Remote I/O-Systems technologisches Neuland und ebnete 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.

Das erste Remote I/O-System für explosionsgefährdete Bereiche der Zone 1 hat R. STAHL vor 30 Jahren unter dem Namen „Eigensicheres Feldbus-System ICS MUX“ auf den Markt gebracht. Schon damals erfüllte ICS MUX zahlreiche Anforderungen an moderne Remote I/O-Systeme. ICS MUX war zudem das erste Remote I/O-System mit „hot-swap“-fähigen Baugruppen, die in der Zone 1 im Betrieb getauscht werden durften. Trotzdem fand ICS MUX am Markt wenig Akzeptanz. Ein digitaler Bus in Ex-Bereichen kam damals für viele Anwender noch nicht in Frage.

Vorteile auf Offshore Plattformen

Die boomende Offshore Industrie erkannte die Vorteile von Remote I/O. Gewichtseinsparungen durch die Reduzierung von Kabel und Leitungen sowie zusätzliche Ferndiagnosen waren damals die überzeugendsten Argumente. Deshalb sind noch heute Remote I/O-Systeme der 1. 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 der Waldenburger Spezialist 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 PROFIBUS DP.

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-Protokoll unterstützt.

2. Generation explosionsgeschützter Remote I/O-Systeme

Mit dem IS1-System präsentierte man zur Jahrtausendwende die zweite Generation explosionsgeschützter Remote I/O-Lösungen. IS1 wird mittlerweile weltweit eingesetzt 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 ermöglicht (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 8 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.

Explosionsgeschützte optische Lichtwellen-Übertragung

2010 stellte man 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.

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 kompaktere und preiswertere 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 eine erweiterte Lebensdauer von mindestens 15 Jahren erreicht. 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 beispielsweise 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 Lebensdauer und meldet sich rechtzeitig vor dem möglichen Ausfall. Vorausschauende oder pro-aktive Maintenance Konzepte sind damit hervorragend realisierbar. Die 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 in der Prozessautomatisierung

Aktuell stellt der Spezialist im Bereich der Sicherheitstechnik für explosionsgefährdete Bereiche 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 wird PROFIBUS DP und die Ethernet Protokolle PROFINET, EtherNet/IP sowie Modbus TCP. Der Anwender kann vor Ort das zu verwendende Protokoll per Schalter auswählen, so dass sich maximale Flexibilität bei Ankopplungen an unterschiedliche Leitsysteme mit verringerter Lagerhaltung verbindet. Die innovativen Funktionen der I/O-Ebene sind ebenfalls enthalten. Dazu 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.

Aktiv bei der Standardisierung und Interoperabilität

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 korrespondierenden 4-Draht Ausprägung. Unabhängig vom Physical Layer spielen auch Integrations- und Kommunikationsthemen eine große Rolle im gesamten Umfeld er Industrie 4.0. Themen wie OPA (Open Process Automation) und auch OPC UA (Open Plattform Communications Unified Architecture) passen ideal zu modularen und leistungsfähigen Remote I/O-Systemen. So bietet sich auch in Zukunft weiteres Potenzial für weitere innovative Lösungen mit Remote I/O-Technologie.

Autor

André Fritsch ist Produktmanager Remote I/O und Feldbus bei R. Stahl.