Industrial Ethernet für die zukunftsfähige Digitalisierung der Prozessautomation

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on xing
Share on whatsapp
Share on email
Share on print

Industrial Ethernet für die zukunftsfähige Digitalisierung der Prozessautomation

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on xing
Share on whatsapp
Share on email
Share on print
Betreiber von prozesstechnischen Anlagen, die in explosionsgefährdeten Bereichen eine funkbasierte Gerätekommunikation implementieren wollten, hatten bisher die Wahl zwischen industriespezifizierten Modellen mit Ex-Zulassung oder Geräten mit integrierem Netzwerk-Management.
Industrial Ethernet

Quelle: asharkyu/shutterstock

Die Betreiber prozesstechnischer Anlagen, die in explosionsgefährdeten Bereichen eine funkbasierte Gerätekommunikation implementieren wollten, durften bei der Wahl geeigneter Access Points bislang nicht wählerisch sein. Während industriespezifizierte Modelle mit Ex-Zulassung meist kein leistungsstarkes zentrales Netzwerk-Management bieten, eignen sich Geräte mit dieser Eigenschaft oft nicht für industrielle Umgebungen. Durch kompakte Hochfrequenz-Trenner zur eigensicheren Funksignal-Wandlung ermöglicht der Hersteller R. Stahl mit seiner Lösung die Verwendung von Standardantennen in den Zonen 1 und 2 im Industrial Ethernet.

Industrial Ethernet auf dem Vormarsch

Nachdem Funknetzwerke als integraler Baustein der Industrie 4.0 besonders in der Logistik, der Maschinenwartung und -instandhaltung sowie der Produktionsüberwachung und Fertigungssteuerung Einzug gehalten haben, sind drahtlose Kommunikationsnetzwerke auch in der Prozessindustrie auf dem Vormarsch. Die Vorteile kommen hier speziell bei temporären Installationen, der Sensor/Aktor-Ausrüstung entlegener Anlagen und bei der Prozesskontrolle mit mobilen Endgeräten zum Tragen. Ein besonders relevantes Anwendungsfeld ist das Asset-Management, bei dem eine drahtlose Messwertermittlung die Zustandsbestimmung eingesetzter Produktionsmittel erheblich vereinfachen und die vorrauschauende Diagnostik verbessern kann.

Industrielle Funkstandards

Für industrielle Anforderungen stehen heute eine Vielzahl verschiedener Funkstandards bereit, die abhängig vom Einsatzzweck ganz unterschiedliche Vorteile bieten. Für viele statische Sensor/Aktor-Anbindungen mit geringem Datenaufkommen eignen sich Sub-GHz- oder 2,4 GHz-Technologien wie WirelessHART, ISA100.11a, LoRaWAN oder auch Low Energy Bluetooth. Zur Kommunikation mit abgesetzten Produktionseinheiten oder hochmobilen Geräten empfehlen sich Technologien wie 3G, LTE, NB-IOT oder künftig 5G.

Für eine schnelle und breitbandige Datenübermittlung zwischen mobilen Teilnehmern auf begrenztem Terrain hingegen sind leistungsstarke WLAN-Lösungen gemäß des IEEE 802.11-Standards, die auf Ethernet-basierte Protokolle zugeschnitten sind, erste Wahl. Sie ermöglichen als Industrial Ethernet innerhalb von Produktionsbereichen eine unterbrechungsfreie Übergabe von Netzwerkteilnehmern von einem Access-Point zum nächsten.

Herausforderungen in Ex-Bereichen

Da jedoch alle funkfähigen Betriebsmittel wie beispielsweise WLAN-Access-Points, Mobilfunk-Komponenten oder auch RFID-Lesegeräte und Antennen nach geltenden Ex-Schutz-Richtlinien grundsätzlich potenzielle Zündgefahren darstellen, wird für ihren Einsatz in Ex-Bereichen ein passender, auch die Schnittstellen einschließender Zündschutz gefordert. Zwar können elektromagnetische Felder in der Regel kein explosionsfähiges Gemisch entzünden, solange die Funkquelle nicht mit Sendeleistungen von mehreren hundert Watt arbeitet.

Es besteht aber die Gefahr, dass die Felder in unzureichend EMV-geschützten Metallobjekten oder elektronischen Schaltungen Ströme induzieren, die zur Funkenbildung führen. Deshalb definiert die internationale Norm IEC EN 60079-0 Grenzwertanforderungen für Funksignale im Ex-Bereich. Die Norm fordert neben der Einhaltung von Grenzwerten im Normalbetrieb auch eine Fehlerfallbetrachtung für Geräte in Zone 1, die Explosionsgefahren durch Kurzschlüsse, Nebenschlüsse oder Unterbrechungen berücksichtigt.

Konventioneller Explosionsschutz trifft auch hochfrequente Signale

Während der Fertigungsindustrie heute ein großes Angebot geeigneter industrietauglicher Netzwerkkomponenten zur Verfügung steht, ergeben sich für Betreiber prozesstechnischer Anlagen, die bei der Suche nach geeigneten Betriebsmitteln auch den Explosionsschutz berücksichtigen müssen, spezielle Herausforderungen. Die erforderlichen Funkkomponenten für den Betrieb in der Ex-Zone 1 sind meist durch spezielle Gehäuse geschützt. Zur Verwendung nicht speziell zugelassener WLAN-Standardgeräte in Ex-Bereichen bietet sich ihr Einbau in druckfeste oder mit Überdruck gekapselte Gehäuse an, die den Zündschutzarten Ex d oder Ex p entsprechen.

Damit ist allerdings noch nicht die „Antennenfrage“ geklärt, denn die meisten entsprechend gekapselten Gehäuse bestehen aus Metall, das die elektromagnetische Strahlung der Antenne stark abschirmt. Während sich RFID-Lesegeräte oder Bewegungsmelder aufgrund ihrer gerichteten Antennen in Ex d-Gehäusen hinter einer Glasscheibe platzieren lassen, standen anfangs für die omnidirektionalen Abstrahlung nur Ex-zertifizierte externe Antennen in sehr begrenzter Auswahl zur Verfügung. Zudem erschweren ihre explosionsschutzbedingten Bauformen ohne die sonst üblichen Standard-Steckverbinder eine flexible Installation und die Wartung. Für die zuverlässige Funktion der Funkverbindung ist jedoch der Einsatz einer auf die Anwendung abgestimmten Antenne ein entscheidendes Kriterium.

Sicherer Anschluss beliebiger industrietauglicher Antennen

Auf Grundlage eines umfangreichen Gehäusesortiments und passender HF-Trenner stellt R. Stahl Lösungen zum Einsatz konventioneller WLAN-Hardware in den Ex-Zonen 1 und 2 bereit, die nicht mit den üblichen Flexibilitäts- und Kostennachteilen herkömmlicher Antennenlösungen behaftet sind. Zur sicheren Kapselung potentiell gefährlicher WLAN-Access-Points in Zone 1/21 hat der Explosionsschutz-Experte zunächst projektspezifisch dimensionierte, druckfest gekapselte Gehäuse für Geräte von Herstellern wie CISCO und ARUBA in Schutzart Ex d konfektioniert.

Ein separierter, in Ex e ausgeführter Anschlussraum gestattet den unkomplizierten Anschluss von CAT-Kabeln oder Lichtwellenleitern. Dafür sorgen auch die von R. Stahl entwickelten Ethernet-Klemmen und LWL-Spleißkassetten zum Einsatz in Zone 1. Zudem verfügen die geprüften und für den weltweiten Einsatz zertifizierten Gehäuselösungen über eigensichere Durchführungen zum externen Anschluss beliebiger industrietauglicher Antennen.

Industrial Ethernet
Der HFisolator verhindert die Übertragung niederfrequenter Signale. (Bild: R. Stahl Schaltgeräte)

Für diesen Zweck hat R. Stahl kompakte Hochfrequenztrenner der Reihe 9731 für Frequenzbereiche von 150 MHz bis zu 8 GHz im Programm, die außer WLAN (WiFi) diverse andere Funkstandards wie Bluetooth, LoRaWAN, WirelessHART und ISA100.11a unterstützen. Die Hochfrequenztrenner verhindern, dass niederfrequente Signale im Fehlerfall übertragen werden und führen den externen Antennen nur Signale auf eigensicherem Niveau entsprechend Ex ia IIC zu.

Zugleich vereinfachen sich Installation und Handhabung der Lösungen deutlich, da Wireless-Geräte und externe Antennen nicht mehr mit unflexiblen Leitungen ohne Steckverbinder verbunden werden müssen. Stattdessen lassen sich konfektionierte Verbindungskabel verwenden, die bei Bedarf einfach angesteckt oder abgezogen werden können. Noch einfacher ist es, die Antenne direkt auf die Gehäusedurchführung zu montieren.

Besondere Herausforderung im Industrial Ethernet

Viele Unternehmen verwenden bereits WLAN-Netzwerke in ihren Verwaltungs- und Logistikbereichen. Da die Funk-Netze erst dann maximalen Nutzen bieten, wenn sie firmenübergreifend homogen sind und sich zentral administrieren lassen, empfehlen die IT-Verantwortlichen in der Regel eine durchgängig abgestimmte Hardware. Eine andere Hürde ergibt sich durch das nachvollziehbare Ziel, Zusatzaufwand durch Lieferantenwechsel und Änderungen der Wartungsstrategien zu vermeiden.

Daher sind viele Anwender bestrebt, bei Erweiterungen ihres WLAN-Netzwerkes in die Produktionsbereiche identische Geräte zum Einsatz zu bringen. Diese Geräte besitzen im Regelfall aber keine Ex-Zulassungen, was bisher dazu führte, dass diese Geräte auch für den Einsatz in der Zone 2 durch ein Ex d Gehäuse geschützt werden mussten.

Neue Gehäuselösungen für Zone 2

Industrial Ethernet
Explosionsgeschützt gekapselte Funksysteme für eine einheitliche WLAN-Vernetzung bis in Zone 1. (Bild: R. Stahl Schaltgeräte)

Für Installationen in Zone 2 mussten Anwender bislang meist identische Gehäuse und Konfigurationen wie für Zone 1 verwenden ­– einschließlich desselben Installations- und Kostenaufwands. Eine wirtschaftliche Alternative bieten die schwadensicheren Gehäuse der Serie 9851 von R. Stahl Schaltgeräte. Die Kunststoff-Gehäuse sind in Zündschutzart Ex nR ausgeführt und beschränken das Eindringen explosionsfähiger Atmosphären auf ein ungefährliches Maß. Wie die Gehäuse für Zone 1 verfügen sie über einen abgesetzten Ex ec-geschützten Anschlussraum, der den Verkabelungsaufwand minimiert.

Aufgrund der neuartigen Kombination von Ex nR-Gehäusen zum Schutz der IT-Technik mit einem separaten Anschlussraum kann ihre Dichtigkeit bereits werksseitig geprüft werden und eine Überprüfung vor Ort entfallen. Der Anwender nutzt lediglich den Anschlussraum. Die in verschiedenen Größen erhältlichen Kunststoffgehäuse sind im Vergleich zu Ex d-Lösungen bis zu 70 Prozent leichter und deutlich montagefreundlicher. Zudem erlaubt das Gehäusematerial den problemlosen Einbau von Funkmodulen, die wie viele WLAN- oder RFID-Lesegeräte lediglich über interne Antennen verfügen.

Industrial Ethernet: Passende Schutzgehäuse von R. Stahl

Für Funk-Installationen in Ex-Bereichen der Zonen 1 und 2 trägt R. Stahl Schaltgeräte mit applikationsgerecht angepassten Schutzgehäusen und Anschlusslösungen für beliebige Antennen maßgeblich mit leistungsfähigen und einfach zu handhabenden Funklösungen bei. Als Systemanbieter für die Ex-geschützte Vernetzung führt der Hersteller ein großes Sortiment eigener Geräteentwicklungen und Netzwerkkomponenten wie Remote I/O-Systeme mit Ethernet-Schnittstellen für Zone 1 und 2, kompakte WLAN-Access-Points für Zone 2, VM-fähige, Ex-geschützte Thin Clients oder für Zone 1 zertifizierte CCTV-Kameras im Sortiment. Explosionsgeschützte Anschlusskomponenten zur Ethernet-Vernetzung per Kupferkabel oder LWL – zum Beispiel GBit/s-Ethernet-Klemmen, optisch eigensichere Medienkonverter und Switches oder Spleißboxen in Schutzart „Ex op pr“ – komplettieren das Angebot.

Lesen Sie auch: Funkbasierte Gerätekommunikation in explosionsgefährdeten Bereichen einrichten mit Ethernet

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on xing
XING
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
E-Mail
Share on print
Drucken

Ihre Meinung zum Artikel

Abonnieren
Benachrichtige mich bei
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments

Andere Leser haben sich auch für die folgenden Artikel interessiert

Das Ziel der Effizienzmaximierung bleibt eine der ständigen Herausforderungen eines jeden Produktionssystems. In dieser Hinsicht stellt die enorme Datenmenge, die jeden Tag generiert wird, wirklich eine Goldmine dar. Die Software-Landschaft AVionics von Antares Vision bezieht wertvolle Informationen in Echtzeit, direkt von der Linie, dem Werk und dem Unternehmen durch die Erfassung und Verarbeitung von Daten sowie mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz.

Redaktionsbrief

Tragen Sie sich zu unserem Redaktionsbrief ein, um auf dem Laufenden zu bleiben.

Wir wollen immer besser werden!

Deshalb fragen wir SIE, was Sie wollen!

Nehmen Sie an unserer Umfrage teil, und helfen Sie uns noch besser zu werden!

zur Umfrage

Aktuelle Ausgabe

Topthema: SCM 2040

10 Megatrends für die nächsten 20 Jahre: Darauf müssen sich Supply Chain Manager einstellen

Mehr erfahren

Tragen Sie sich jetzt kostenlos und unverbindlich ein, um keinen Artikel mehr zu verpassen!

    * Jederzeit kündbar

    Entdecken Sie weitere Magazine

    Schön, dass Sie sich auch für weitere Fachmagazine unseres Verlages interessieren.

    Unsere Fachtitel beleuchten viele Aspekte der Digitalen Transformation entlang der Wertschöpfungskette und sprechen damit unterschiedliche Leserzielgruppen an.