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Eigensicheres Remote-I/O-System mit Modbus TCP-Anbindung

Prozess-Signale auf Ethernet im Ex-Bereich

| Redakteur: Ines Stotz

In der Fabrikautomation sind Ethernet-Netze bereits seit Jahren auf dem Vormarsch. In der Prozessautomatisierung dagegen steht dem breiten Einsatz nach wie vor häufig einiges im Weg. R. Stahl will dennoch wichtige Vorzüge der Ethernet-Technik schon jetzt in Ex-Prozessanwendungen nutzbar machen mit einer Modbus TCP-Anbindung.

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Das Remote I/O-System IS1 ist schon jetzt mit üblichen Prozessleitsystemen einsetzbar und ermöglicht die Ethernet-Kommunikation dank optisch eigensicherer Verkabelung auch in sehr weitläufigen Anlagen.
Das Remote I/O-System IS1 ist schon jetzt mit üblichen Prozessleitsystemen einsetzbar und ermöglicht die Ethernet-Kommunikation dank optisch eigensicherer Verkabelung auch in sehr weitläufigen Anlagen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Nicht wenige Industrial-Ethernet-Spielarten scheitern an harten Echtzeitanforderungen oder an der Notwendigkeit hoher Verfügbarkeit. „Eigens auf prozesstechnische Anwendungen angepasste Varianten des Protokolls sind noch nicht ausgereift“, beurteilt André Fritsch, Senior-Product-Manager Fieldbus & Remote I/O bei R. Stahl. Erschwerend komme hinzu, dass in der Prozesstechnik für viele Systeme Explosionsschutz-Maßnahmen Pflicht sind. Um Anwendern aus der Prozessindustrie aber heute bereits die Vorteile der Industrial-Ethernet-Kommunikation auch in explosionsgefährdeten Anlagenbereichen zu erschließen, hat das Waldenburger Unternehmen für das Remote-I/O-Systeme IS1 eine Modbus-TCP-Lösung entwickelt.

„Hoher Datendurchsatz, kosteneffektive Lösungen, Eignung für redundante Topologien und sicherer Explosionsschutz“, so beschreibt der Experte die bereits lang gehegte Wunschvorstellung der optimalen Lösung zur Anbindung von Signalen in Prozessanlagen. Frühe Feldbuslösungen, die einen Teil der Anforderungen erfüllten, standen bereits 1987 sogar für Ex-gefährdete Bereiche mit Remote-I/O-Technik zur Verfügung trafen aber noch auf verhaltene Resonanz bei den Anwendern.

Mit Profibus DP wurde Jahre später ein leistungsfähiges, praxisgerechtes Protokoll für die Remote-I/O-Technik eingeführt. „Leider jedoch wies es keine Lösung für explosionsgefährdete Bereiche auf“, so André Fritsch. Denn der dafür ausgelegte Profibus PA in seiner eigensicheren Ausführung wiederum war mit 31,25 kBit/s für die bei Remote-I/O üblichen Datenmengen und die erforderlichen Übertragungsraten viel zu behäbig. R. Stahl entwickelte daraufhin den eigensicheren Profibus DP alias RS485-Ex i, und stellte diese Lösung 1995 in Form des verbesserten Remote-I/O-Systems ICS MUX/VOS200 vor. Die firmenspezifische Entwicklung wurde schließlich leicht modifiziert 2003 von einer PNO-Arbeitsgruppe unter dem Namen RS485-IS in einen Profibus-Standard überführt.

Per Modbus TCP kommuniziert die neue Ethernet-fähige Variante des Remote-I/O-Systems IS1 von R. Stahl (Archiv: Vogel Business Media)

Vom eigensicheren Profibus DP...

„Die meisten ex-geschützten Remote-I/O-Systeme setzen derzeit diesen eigensicheren Profibus DP ein, inzwischen sogar immer öfter in Lichtwellenleiter-Technik und auch in Ex-Ausführung“, berichtet Fritsch. Die hohen Signalmengen, die für prozesstechnische Anwendungen typisch sind, lassen sich so prinzipiell gut bewältigen. Zumindest theoretisch sind bis zu 2000 Signale über ein Bussegment übertragbar. „Leider aber erfordert die Umsetzung der Profibus-Daten in die Infrastruktur einer Anlage einen erheblich Aufwand an Soft- und Hardware, außerdem entsprechend geschultes Personal.“

Weil das mit hohen Kosten verbunden ist, arbeiten Profibus International (PI) und Fieldbus Foundation (FF), daher intensiv daran, ihre Ethernet-basierten Lösungen (Profinet und FF HSE) um die Belange der Prozessautomatisierung zu ergänzen. Denn mit Industrial-Ethernet stünde eine preiswertere, einfachere und effektivere Lösung zur Verfügung. Beide Gruppen definieren dazu u.a. Spezifikationen, wie sich Remote-I/O-Technik über das jeweilige Ethernet an Automatisierungssysteme ankoppeln und in die Systemstrukturen einbinden lassen.

André Fritsch: „Wir erwarten, dass 2009 entsprechende Lösungen zur Verfügung stehen.“ Die Spezifikation für ein Ethernet-Remote-I/O ist jedoch nur die eine Seite auch die Kopplung an Prozessleitsysteme muss gewährleistet werden. „Nach heutigem Stand unterstützen nur die wenigsten Systeme ProfiNet oder gar FF HSE in der Prozessautomatisierung“, sagt Fritsch und vermutet, dass auch dies sich in den nächsten Jahren ändern wird.

... zum Industrial-Ethernet

Doch einstweilen, so der Ingenieur, muss man nicht unbedingt darauf warten: „Im Gegensatz zu den in der Entwicklung befindlichen Protokoll-Varianten beherrschen die meisten Leitsysteme, beispielsweise Emerson Delta V oder Yokogawa Centum CS, längst schon ein einfaches und doch effektives Ethernet-Protokoll: nämlich den Modbus TCP.“ Installationen für nicht-ex-gefährdete Bereiche, die zur Kommunikation auf Modbus TCP setzen, existieren bereits.

Mit dem neuen Remote-I/O-Systems IS1-Ethernet steht nun auch die erste Lösung für explosionsgefährdete Bereiche der Zone 1 zur Verfügung, die zudem eine zukunftssichere Perspektive bietet: Die flexible Hardwareplattform soll sich zukünftig auch für die ProfiNet- und FF HSE-Spezifikationen eignen. Dem Modbus TCP-Protokoll fehlen zwar standardisierte Mechanismen zur Konfiguration, Parametrierung und Diagnose, ein von R. Stahl entwickelter DTM macht IS1-Systeme aber entsprechend für Standard-FDT-Softwarepakete wie Pactware, Fieldcare und Fieldmate zugänglich.

„Auf Modbus TCP fiel die Wahl aufgrund der effektiven Datenübertragung, der einfachen Implementierung und Handhabung sowie der Tauglichkeit für redundante Strukturen“, begründet Fritsch. Für die Ethernet-angepasste IS1-Variante wurde das CPU & Power-Modul (IS1 CPM) modifiziert. Es besteht aus zwei separaten Baugruppen: einer Kommunikationseinheit (CPU) mit PC-ähnlichem Innenleben und einer Versorgungseinheit (Power Modul). Beide Baugruppen bleiben hot-swap-fähig lassen sich also einzeln im Betrieb unter Spannung in der Zone 1 austauschen.

Schnell, ausfallsicher, hohe Reichweite

IS1 ist sowohl am redundanten als auch am einfachen Ethernet mit Versorgungsredundanz der CPU-Baugruppe betreibbar. Beim Ausfall einer der Anbindungen schaltet das System binnen 200 ms um weitaus schneller als dies mit Standard-Ethernet-Mechanismen wie Rapid-Spanning-Tree möglich wäre. Daher, begründet Fritsch, ist die neue Lösung für nahezu alle kritischen Anwendungen der Verfahrenstechnik einsetzbar, ausgelegt für Zone 1 bzw. Div. 1.

LWL-Trennübertrager für Industrial-Ethernet-Netze (Archiv: Vogel Business Media)

Die Ethernet-Schnittstelle wird mit LWL herausgeführt, um auch größere Entfernungen zu überbrücken. „In der Reichweite und Störfestigkeit stellen Lichtwellenleiter selbst hochwertig geschirmte CAT7-Twisted-Pair-Kabel klar in den Schatten, weil je nach verwendeter Faser Entfernungen von 2000 Meter oder sogar länger möglich sind“, erklärt Fritsch.

Als Zündschutzart kommt die „optische Eigensicherheit“ zum Einsatz („op is“ in IEC60079-28). Das Prinzip der eigensicheren optischen Strahlung ist der elektrischen Eigensicherheit sehr ähnlich. Es basiert auf der Begrenzung der optischen Energie in einem System, hier also im LWL, im normalen Betrieb und unter Fehlerbedingungen. Eigensichere LWL bieten große Flexibilität: Sie lassen sich im Betrieb im Ex-Bereich verbinden und trennen und erlauben so, Installations- und Wartungsarbeiten wie bei normalen Gerätschaften. Die erforderliche Trennstufe bei LWL-Architektur also ein „Ex op is-Switch“ ist ebenfalls erhältlich.

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