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R. Stahl Schaltgeräte

Optisch eigensicheres LWL-Ethernet für komfortable Prozessautomation

| Autor/ Redakteur: André Fritsch / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Weitläufige Anlagen und komplexe Verfahren machen gerade in der Prozessindustrie eine Vernetzung der Automatisierungstechnik per Glasfaser-Ethernet attraktiv: Von Remote I/O-Systemen, Überwachungskameras bis zum HMI-Terminal können optische Ethernet-Netze auch weit voneinander entfernte Teilnehmer bequem einbinden – und unterstützen hohe Geschwindigkeiten beim Datenaustausch.

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LWL-Trennübertrager des Typs ISpac 9186 bieten eine integrierte Pegelüberwachung und eignen sich für den Aufbau redundanter Ringstrukturen auch in Zone 1
LWL-Trennübertrager des Typs ISpac 9186 bieten eine integrierte Pegelüberwachung und eignen sich für den Aufbau redundanter Ringstrukturen auch in Zone 1
( Archiv: Vogel Business Media )

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 maximalen Distanzen bis rund 100 m 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, nicht eben kostengünstiges 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.

Schneller, weiter, robuster

Von der EMV-Problematik sind Glas- oder Kunststofffasern hingegen prinzipbedingt überhaupt nicht betroffen. In optischen Netzen sind zudem Leitungslängen bis 2000 m oder sogar mehr ohne weiteres möglich. Diese Vorteile machen es Anwendern sehr viel leichter, eine durchgängige Netzwerkarchitektur vom Feld über die Zellebene bis hin zu Leit- und ERP-Systemen zu etablieren, um so die Vorteile der Ethernet-Vernetzung auch voll ausschöpfen zu können.

PC-basierte Bediensysteme (hier: das ET-456 aus der Open HMI-Baureihe von R. Stahl HMI Systems) für Zone 1/21 und 2/22 werden über optisch eigensichere LWL-Kabel in ein über Kilometer ausgedehntes, durchgängiges Ethernet eingebunden (Archiv: Vogel Business Media)

Ein Musterbeispiel dafür ist die Anbindung moderner HMI-Systeme mit großen hochauflösenden Bildschirmen im Ex-Bereich, die via Ethernet als Remote-Desktop-Terminals oder Thin-Clients dann viel 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 aber zum Beispiel auch Remote-I/O-Technik im Ex-Bereich von Vorzügen der Ethernet-Technologie profitieren, da große Datenmengen möglichst schnell über große Entfernungen übertragen werden – sofern dafür gesorgt ist, dass im LWL-Netz keine Zündung möglich ist.

Lichtenergie als Explosionsgefahr

Bei einem Kabelschaden oder einem sich öffnenden Steckverbinder kann durch optische Strahlung eine Explosion ausgelöst werden. In der Praxis stellt das größte Risiko durch Licht jede Art dadurch verursachter unzulässiger Erwärmung dar: 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 – zum einen im normalen Betrieb, aber vor allem im Fehlerfall, also etwa bei Übersteuerung eines Senders. So wird sichergestellt, dass bei einem Kabelbruch weder eine bestimmte Bestrahlungsstärke, das heißt ein Energiewert pro Fläche, überschritten wird, noch eine – unabhängig von der Streuung – bereits absolut zu hohe Lichtenergie freigesetzt wird.

Dies erfordert zum Beispiel speziell gebaute und zertifizierte Sender und Empfänger. Kritisch ist bei vielen Anwendungen beispielsweise, 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 fümf oder 20 mW/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/EN 60079-28 finden.

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