Ex-geschütztes Industrial Ethernet bringt hohe Bandbreiten für schnelle, kollisionsfreie Echtzeit-Datenkommunikation auch im Ex-Bereich.

Bild: R. Stahl

Explosionsgeschützte IP-Kommunikation Industrial-Ethernet-Lösungen abseits von Ethernet-APL

09.04.2021

Ethernet-APL ist zweifellos eine der Kerntechnologien für Ethernet in der Prozessautomatisierung. Dabei soll aber nicht vergessen werden, dass es auch noch andere Lösungen gibt, die je nach Anwendung durchaus ihre Vorteile haben. So ebnet Industrial Ethernet mit schneller Datenkommunikation und hohen Bandbreiten den Weg zur Industrie 4.0.

Feldbus-Systeme wie Profibus  P oder Foundation Fieldbus H1 sind mittlerweile auch in explosionsgefährdeten Bereichen weit verbreitet. Im Kontext von Industrie 4.0 steht der Prozessindustrie mit der Ethernet-Vernetzung der nächste Technologiesprung ins Haus.

Verschiedene Feldbus-Organisatione, darunter die FieldComm Group (FCG), die ODVA, OPC Foundation und Profibus International (PI), haben mit HART/IP und FF HSE, EtherNet/IP, OPC UA und Profinet leistungsfähige Protokolle für Industrial Ethernet entwickelt. Mit hohen Bandbreiten ermöglichen diese Systeme eine kollisionsfreie, deterministische Datenkommunikation.

Über die Echtzeitfähigkeit hinaus erfordern Lösungen für Industrial Ethernet in der Prozessindustrie wesentlich robuster ausgelegte Komponenten. Kabel, Steckverbinder, Switches und Medienkonverter müssen einen höheren IP-Schutz gewährleisten und sich in einem erweiterten Temperaturbereich einsetzen lassen.

Ethernet für explosionsgefährdete Bereiche

Um Industrial Ethernet bis in die Ex-Bereiche der Öl-, Gas-, Chemie-, Petrochemie- und Pharmaindustrie verfügbar zu machen, bedarf es geeigneter Schutzkonzepte, die sicher, funktional und wirtschaftlich implementiert werden können. Als technologieführendes Unternehmen mit umfassender Ex-Schutz-Kompetenz bietet R. Stahl auf Basis verschiedener Zündschutzarten vielfältige Optionen für die explosionsgeschützte Datenkommunikation und hat geeignete Systemlösungen zur Visualisierung, Bedienung und Prozessdatenübertragung entwickelt.

Exemplarisch dafür ist das Remote-I/O-System IS1+ zur Installation in Zone 1 und 2, mit dem sich Feldgeräte im Ex-Bereich mittels Lichtwellenleitern oder CAT-Kupferverkabelung über Profinet, EtherNet/IP oder Modbus TCP an unterschiedliche Prozessleitsysteme vernetzen lassen. Die Anbindung konventioneller Feldgeräte in der Zone 0, 1 oder 2 erfolgt über I/O-Module mit bis zu 16 Kanälen und eigensicheren, nicht-eigensicheren oder pneumatischen Schnittstellen.

Zur Anlagenbedienung und Prozessvisualisierung in Zone 1 beziehungsweise 21 und 2 beziehungsweise 22 führt R. Stahl HMI Systems schlanke Bedienstationen mit leistungsfähiger Prozessortechnologie, HD-Grafikchips und IoT-optimierter Firmware im Programm. Die Thin Clients können in Schutzart „erhöhte Sicherheit“ (Ex e) oder mit Ex-opis-geschützten Lichtwellenleitern via Ethernet vernetzt werden. Die schnelle IP-Vernetzung gestattet eine komfortable Integration in die vorhandene Infrastruktur und die Nutzung anspruchsvoller Applikationen wie Soft-SPS oder Scada auch in explosionsgefährdeten Bereichen.

Alternativen zur Eigensicherheit

Als gängige Methode zum Ausschluss von Zündrisiken in der Übertragungstechnik gilt zumeist die „Eigensicherheit“ (Ex i). Bei dieser Zündschutzart wird die elektrische Energie durch Begrenzung von Strom und Spannung auf ein nicht-zündfähiges Maß reduziert.

Doch nicht in jedem Fall stellen eigensicher ausgelegte Komponenten und Anschlüsse die wirtschaftlich optimale und praktikabelste Lösung für das Industrial Ethernet im Ex-Bereich dar. Für kurze Leitungslängen bis 100 m lassen sich Kupferleitungen gemäß der Zündschutzart „erhöhte Sicherheit“ (Ex  e) bis in Zone 1 verlegen. Besonderes Augenmerk ist bei Ex-e-Installationen auf die Kabel und die Leitungsführung zu legen, um Beschädigungen und damit potenzielle Zündquellen zu vermeiden.

Als problematisch erwies sich bisher der Anschluss an das entsprechende explosionsgeschützte Betriebsmittel, da die gängigen RJ45-Stecker nicht für Anwendungen in Zone 1 geeignet sind. Zwar lassen sich Ethernetkabel über spezielle Leitungseinführungen auch in Ex-d-Gehäuse einführen. Aufgrund des beträchtlichen Aufwands ist diese Lösung vor Ort allerdings schwer umsetzbar und spätestens bei Umbauten oder Wartungsarbeiten kaum mehr sinnvoll zu handhaben.

Als praktikable Alternative hat R. Stahl daher eine zur Installation in Zone 1 zugelassene Ex-e-Klemme entwickelt, die sich für Ethernetkabel mit bis zu acht Adern mit einer Übertragungsrate von bis zu 1 Gbit/s eignet und zu Power over Ethernet (PoE) kompatibel ist. Die in Zugfedertechnik ausgeführte Klemme wird in einem Ex-e-Anschlussraum installiert und ist damit auch für Wartungsarbeiten einfach zugänglich.

Schnelle Kommunikation über lange Distanzen

Im Unterschied zu Kupferkabeln lassen sich mit Lichtwellenleitern weitläufige Kommunikationsnetze einrichten, um beispielsweise auch einzelne Ex-Bereiche in ausgedehnten Industrieanlagen per Ethernet anzubinden. Dies erlaubt den schnellen Datenaustausch von Sensoren und Aktoren, Remote-I/O-Systemen, Kontroll- und Überwachungskameras oder Bedienterminals in hoher Geschwindigkeit auch über weite Distanzen. Überdies erspart die störsichere LWL-Verkabelung die aufwendige Erdung und Schirmung gegen elektromagnetische Störungen.

Allerdings sind auch beim LWL-Einsatz in explosionsgefährdeten Zonen spezielle Schutzvorkehrungen zu treffen, um durch optische Strahlung verursachte Zündgefahren auszuschließen. Die entsprechende Norm IEC  60079-28 zum Explosionsschutz von Geräten und Übertragungssystemen, die mit optischer Strahlung arbeiten, benennt vier Gefahrenquellen: Neben dem Risiko einer thermischen oder photochemischen Zündung sowie eines direkten laserinduzierten Durchschlags muss vermieden werden, dass sich durch Erhitzung von Partikeln eine zündfähige Oberflächentemperatur entwickelt. Hierzu werden drei verschiedene Zündschutzarten definiert.

Ex-Schutzkonzepte für Glasfaser

Analog zur Eigensicherheit lassen sich Lichtwellenleiter durch inhärent sichere optische Strahlung (Ex opis) schützen. Dafür wird die Energie des Lichtbündels auf ein nicht-explosionsfähiges Maß begrenzt. Als maximal zulässige optische Leistung für den Einsatz in Zone 1 und der Explosionsgruppe IIB gelten beispielsweise 35 mW bei Temperaturklasse  T4. Da die inhärent geschützten Lichtwellenleiter während des laufenden Betriebs im Ex-Bereich verbunden und getrennt werden können, sind Installations-, Umbau- und Wartungsarbeiten unkompliziert und kostengünstig zu bewerkstelligen.

Schon in den 1990er-Jahren hat R.  Stahl eine erste  opis-geschützte Trennstufe für das hauseigene Remote-I/O-System eingeführt. Die heutigen Produktgenerationen erlauben im Ex-Bereich inzwischen sogar die Installation eines optischen Rings mit komfortablen Diagnose- und Meldefunktionen, zum Beispiel bei Faserbruch. Hierzu führt R. Stahl entsprechende Medienkonverter und Switches mit vier LWL-Ports in Schutzart Ex-opis im Programm. Diese auch für den Profinet-Standard adaptierten Verteiler bieten eine Ringfunktionalität auf Basis des Media Redundancy Protocol (MRP).

Nach den Vorgaben der Zündschutzart Ex  oppr („geschützte optische Strahlung“) hat R. Stahl die speziell für Zone 1 konzipierten Spleißboxen für LWL-Verteiler konstruiert. Das Spleißen gewährleistet, dass die Verteilung normenkonform vor versehentlichem Trennen geschützt und durch das Gehäuse gegen zerstörerische Einflüsse gesichert ist. Die dritte Zündschutzvariante Ex  opsh basiert auf einer Zündquellenüberwachung ähnlich der Funktionalen Sicherheit gemäß IEC  61508 und IEC  61511, um im Fehlerfall die optische Strahlung unmittelbar abzuschalten.

Funkvernetzung bis in den Ex-Bereich

Für Funksysteme spricht ihre flexible Handhabung. Die Vorteile kommen besonders bei temporären Installationen, der Nachrüstung bestehender Anlagen und dem Datenaustausch mit mobilen Endgeräten zum Tragen. Da funkfähige Betriebsmittel wie WLAN Access Points, Mobilfunk-Komponenten oder RFID-Leser elektrische Zündgefahren in sich bergen, erfordert die Funkübertragung im Ex-Bereich sowohl für die installierten Geräte als auch für die (Funk-)Schnittstellen einen passenden Zündschutz.

In der Regel sind im Verwaltungs- und Logistikbereich vieler Unternehmen bereits WLAN-Netzwerke in Betrieb. Ein WLAN-Netzwerk entfaltet jedoch in den meisten Fällen erst dann seinen vollen Nutzen, wenn es firmenübergreifend homogen und zentral administrierbar ist. Daher sind viele Anwender bestrebt, bei Erweiterungen ihres WLAN-Netzwerkes in die Fertigungsbereiche identische Geräte zum Einsatz zu bringen.

Diese Geräte verfügen im Regelfall jedoch über keine Zulassung für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen. Deshalb bietet R. Stahl auf Basis eines breiten Sortiments an Gehäusesystemen und Komponenten applikationsgerechte Lösungen an, mit denen sich konventionelle WLAN Access Points und andere Netzwerkkomponenten in kurzer Zeit für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ertüchtigen lassen.

Eigensichere Antennenanbindung

Neben der Absicherung des Funkgeräts muss auch die angeschlossene Antenne gegen potenzielle Zündgefahren geschützt sein. Die zulässigen Grenzwerte für die abgestrahlte Funkleistung an der Antenne (EIRP) sind in der IEC 600790 festgelegt und reichen je nach Explosionsgruppe  der umgebenden Gase oder Dämpfe von 2 bis 6  W. Hier gilt es, den sogenannten Antennengewinn zu beachten.

Zusätzlich verlangt die Norm eine Fehlerfallbetrachtung für in Zone 1 installierte Geräte, um sicherzustellen, dass sich auch Fehlfunktionen nicht explosionsauslösend auswirken können. Zwar ist es bei der WLAN-Installation in Zone  1 prinzipiell möglich, die Antenne im Ex-Schutz-Gehäuse zusammen mit dem WLAN Access Point zu platzieren, doch wirkt sich dies nachteilig auf die Funkleistung und den Abstrahlwinkel aus. Stattdessen kann auf externe Antennen in explosionsgeschützter Ausführung – meist in der Schutzart Ex  e – ausgewichen werden.

Allerdings beschränkt sich die Auswahl auf wenige Modelle mit omnidirektionaler Abstrahlung, die relativ unflexibel sind, was Planung, Installation und Wartung betrifft. Als probate Alternative bietet R. Stahl mit dem HFisolator der Serie 9730 eine Lösung, die das Funksignal in ein eigensicheres Signal umwandelt. Damit kann die Funkanlage mit jeder beliebigen industrietauglichen Antenne betrieben werden. Zudem vereinfachen sich Handhabung und Betrieb, weil die Verbindung zwischen funkfähigem Gerät und Antenne über gesteckte Kabel und nicht mehr durch eine unflexible feste Leitung erfolgt.

Fazit

Schon heute bieten führende Ex-Schutz-Spezialisten wie R. Stahl ein breit gefächertes Produkt- und Lösungsangebot für die explosionsgeschützte Ethernet-Kommunikation via Kabel, LWL und WLAN. Damit stehen der Prozessindustrie zentrale Systemkomponenten zum Auf- und Ausbau einer leistungsfähigen digitalen Infrastruktur bis in Zone  1 zur Verfügung. Dies ermöglicht eine zukunftssichere Prozessautomatisierung, die den Erfordernissen von Industrie  4.0 und Industrial IoT entspricht.

Bildergalerie

  • Das Remote-I/O-System IS1+ mit Profinet-Schnittstelle eignet sich für die Ethernet-Kommunikation in explosionsgefährdeten Bereichen.

    Bild: R. Stahl

  • Die Ex -e-Klemme dient zur montagefreundlichen Installation von Kupferkabeln in Zone  1 für Datenraten bis 1 Gbit/s.

    Bild: R. Stahl

  • Konverter und Switches zur Ex -op-geschützten LWL-Installation in explosionsgefährdeten Zonen

    Bild: R. Stahl

  • Wireless in Zone  1: explosionsgeschützter WLAN Access Point 8265 mit kundenspezifischen Einbauten

    Bild: R. Stahl

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