Das ist schon ein besonderes Gefühl der Erleichterung: Die ersten 50 Feldgeräte haben den Loop-Check in kürzester Zeit bestanden. Projektleiter Jens M. atmet tief durch (Ähnlichkeiten mit lebenden Personen sind rein zufällig). Wie war das doch beim dem Projekt vor einigen Jahren, als installierte Feldgeräte, die zuvor im Testlabor einwandfrei funktionierten, sich entweder gar nicht anmeldeten oder temporär wieder ausstiegen? Viele ungeplante Stunden der Suche zeigten: zu geringe Signalpegel, falsche Terminierung, Fehler bei Schirmung und Erdung. Diese Erfahrung prägt. M. hatte sich daher von seiner Kollegin überzeugen lassen, die Feldbusinfrastruktur diesmal strukturiert durchzuplanen. Er hatte dadurch Mängel aufgedeckt, bevor das erste Kabel gezogen wurde. Diese Argumente pro Planung haben M. überzeugt: Da der Feldbus Speiseenergie und Daten über eine gemeinsame geschirmte Zweidrahtleitung gleichzeitig überträgt und mehrere Feldgeräte an ein Kabel angeschlossen werden können, ergeben sich im Vergleich zu klassischer Interfacetechnik zusätzliche, durch eine Planung zu verifizierende Anforderungen:
- • Umgebungsbedingungen • Kabellängen • Anzahl Teilnehmer • Spannungsabfall am Kabel • Buszykluszeiten • Schutz- und Erdungskonzept • Explosionsschutz
Segment Checker (www.segmentchecker.com) oder andere kostenlos erhältliche Planungsunterstützungswerkzeuge automatisieren die Berechnungen. Verdrahtungsdiagramme entfallen. An ihre Stelle treten übersichtliche Tabellen, in denen für die Planung wichtige Daten zusammengefasst werden. Änderungen in letzter Minute, wie sie bei der Auslegung der MSR-Technik häufig vorkommen, bilden sich in der Planungsphase leichter ab, denn die Anschlusstechnik ist für alle Gerätetypen identisch, die zur Verfügung stehende Leistungsreserve ist leicht ermittelbar. Und ohne I/O-Karten oder Remote I/O wird Verdrahtung gespart. Unterstützend wirkt auch, dass das Gerät von fern parametriert und kalibriert werden kann. Die für die Planung notwendigen technischen Daten ergeben sich aus den Planungsunterlagen für die Mess- und Regeltechnik wie etwa Datenblätter der Geräte, Einbauplatz im Feld, Kabeltrassenplanung sowie den Gegebenheiten im Leittechnikraum und der Vorgehensweise bei der Planung. Die prinzipiellen Schritte zur Planung von Feldbussegmenten sind im allgemeinen und explosionsgefährdeten Bereich praktisch identisch. Dabei ist die Feldbusinstallation den jeweils schärferen Grenzwerten unterworfen, die in den Standards für den Feldbus IEC 61158-2 und für den Explosionsschutz IEC 60079 definiert sind. Prinzipiell geht man wie folgt vor:Topologie:Obwohl IEC 61158-2 eine Vielzahl von Topologien zulässt hat, sich als de facto Standard eine Topologie mit einer Hauptleitung (engl.: Trunk) und je einer Stichleitung (engl. Spur) je Feldgerät durchgesetzt. Der Vorteil dieser Topologie, die oft Trunk-und-Spur-Topologie genannt wird, ist ihre Übersichtlichkeit: Sie ist einfach zu planen, zu installieren und zu warten. Die Feldverdrahtungskomponente mit Kurzschlussschutz (Segment Protector) verhindert dabei Fehler am Segment, wenn am Feldgerät gearbeitet wird.Umgebungsbedingungen: Die maximale Umgebungstemperatur bestimmt den Spannungsabfall am Kabel und damit die dem Feldgerät zur Verfügung stehende Spannung mit. Weitere Umgebungsbedingungen spielen bei der Auswahl von Kabelmaterial oder Feldverteilern eine Rolle.Längste Kabellänge: Aus der Kabeltrassenplanung ergibt sich die längste erforderliche Kabeldistanz. Diese wird als „schlimmster Fall“ den folgenden Bewertungen zu Grunde gelegt und verifiziert.Auswahl der Komponenten: Planungssoftware wie Segment Checker erlaubt den Aufbau eines Segments einfach mit Mausklicks. Hierbei wählt der Planer die Stromversorgung, Busmaster, Feldgeräte und Feldverdrahtungskomponenten aus und fügt diese zu der gewünschten Topologie zusammen. Mit jedem Mausklick validiert die Software alle elektrischen Größen und zeigt Problemstellen in der Planung in Klartext an. Für den explosionsgefährdeten Bereich wird hier zusätzlich das Schutzkonzept bestimmt. Diese zusätzlichen Erfordernisse werden auf der folgenden Seite gesondert beschrieben.Anzahl von Geräten oder erreichbare Kabellängen: Diese beiden Werte beeinflussen sich gegenseitig. Zeigt beispielsweise die Planungssoftware die Unterschreitung der minimalen Betriebsspannung eines Feldgeräts an, kann wahlweise und iterativ die Länge der Hauptleitung oder die Anzahl der Teilnehmer verändert werden, um den Grenzwerten zu genügen.
Besonderheiten im explosionsgefährdeten Bereich
Damit ist der Planungsprozess für die Feldbusinfrastruktur abgeschlossen. Die so ausgelegten Segmente werden in der Praxis funktionieren. Im Laufe der Inbetriebnahme können nur noch typische Installationsfehler auftreten, die über Diagnosewerkzeuge einfach auffindbar sind. Diese erzeugen automatisch Dokumentationen über die Feldbusphysik, die dann zusätzlich mit den Planungswerten verglichen werden können. Für den Loop-Check steht eine qualitativ hochwertige, zuverlässige und geprüfte Infrastruktur zur Verfügung. Die bevorzugte Schutzart ist Eigensicherheit, denn sie erlaubt den Zugang zu Geräten und Stromkreisen im Ex-Bereich ohne Feuerschein. Fisco (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) erlaubt gemäß IEC 60079-27 den sehr einfachen Einsatz von Feldbus im Ex-Bereich. Bei der Planung ist zu berücksichtigen, dass nur eine Spannungsquelle pro Segment zulässig ist und Kabel und Geräte den Fisco- Anforderungen genügen müssen. Zudem bestehen Grenzwerte für Sicherheitsspannung, -strom und -leistung sowie Kapazitäten und Induktivitäten, die für Interoperabilität sorgen. Der Nachweis der Eigensicherheit ist vereinfacht, Berechnungen entfallen vollständig. Der größte Nachteil der Eigensicherheit ist die Begrenzung der Leistung, mit für die Feldbuspraxis fatalen Konsequenzen: Die Kabellängen und/oder die Anzahl anschließbarer Feldgeräte ist massiv eingeschränkt. Abhilfe schafft hier das High-Power-Trunk-Konzept. Es maximiert gleichzeitig Kabellänge und Anzahl Feldgeräte. Für die Hauptleitung und die Stichleitungen werden unterschiedliche Zündschutzarten eingesetzt. Die Hauptleitung wird „geschützt“ installiert. Hier ist die Leistung nicht für den Explosionsschutz begrenzt und lange Kabelwege und hohe Speiseströme sind möglich. Die Feldgeräte werden in der Schutzart „Eigensicherheit“ Ex i beispielsweise nach Fisco oder dem ebenfalls weit verbreiteten Entity-Konzept ausgewählt. Der Anschluss an die Hauptleitung erfolgt über eine Feldbarriere. Sie sorgt für Kurzschlussschutz, galvanische Trennung zwischen Feldgeräten und Trunk und Eigensicherheit. Die Validierung der Eigensicherheit wird nur für den Ausgang der Feldbarriere und Feldgerät durchgeführt. Bei der Planung für den Ex-Bereich muss zusätzlich das Schutzkonzept ausgewählt werden. Hauptsächlich verwendete Methoden sind:
- • vollständig eigensichere Topologie für kürzere Distanzen; • das High-Power-Trunk-Konzept, praktisch ohne Einschränkungen.
Zunächst wird die Schutzart ausgewählt. Die weiteren Schritte verlaufen wie im Nicht-Ex-Bereich: Segment Checker berechnet die Konformität zur Feldbusnorm (IEC 61158-2) unter Berücksichtigung der reduzierten Werte von Speisung, Installationskomponenten und Feldgeräten.
Auf zum nächsten Loop-Check
In der Leitwarte schaut Projektleiter M. den Kollegen über die Schulter: Bereits zehn weitere Loop-Checks sind erledigt. Der Go Live Termin kann kommen, die weiteren 700 Geräte sollten genau so reibungslos in Betrieb gehen. Und durch die digitale Kommunikation können die Feldgeräte aus der Warte heraus schon parametriert werden. Jens M. ist zuversichtlich: Die große Erweiterung in zwei Jahren wird auch ohne die beiden bis dahin in den Ruhestand wechselnden Kollegen zu stemmen sein.☐
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