R. STAHL Schaltgeräte GmbH

In der Prozessindustrie und vor allem explosionsgefährdeten Umgebungen unterliegt die Ethernet-Verkabelung zusätzlichen Bedingungen.

Bild: iStock, noLimit46

Digitalisierung bis in den Ex-Bereich Neue Standards für eigensicheres Ethernet

12.06.2020

Bereits heute sind durchgängige Lösungen zur IP-Kommunikation von der Leitwarte bis zur Feldebene verfügbar, die auch explosionsgefährdete Bereiche der Prozessindustrie einschließen. Im Hinblick auf einheitliche, interoperable Standards treiben führende Hersteller und Organisationen die Entwicklung eigensicherer Ethernet-Konzepte voran.

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Das wachsende Datenaufkommen in der Prozessautomation erfordert höhere Bandbreiten und schnellere Übertragungsraten, um Prozesse möglichst in Echtzeit überwachen und steuern zu können. Zusätzliche Anforderungen ergeben sich aus dem steigendem Bedarf nach Diagnosedaten und Geräteinformationen. Damit wächst die Bedeutung einer durchgängigen Ethernet-Vernetzung ganzer Industrieanlagen.

Mit EtherNet/IP, HART-IP, und Profinet haben sich verschiedene Standards für die IP-Kommunikation in der Prozesstechnik etabliert. Industrial Ethernet zeichnet sich unter anderem durch eine deterministische Datenübertragung sowie robust ausgeführte Komponenten mit erweiterter Temperaturbeständigkeit und erhöhtem IP-Schutz aus. In der Prozessindustrie unterliegt der Ethernet-Einsatz zusätzlichen Bedingungen.

Installationsoptionen bis in Zone 1

Unter Einbeziehung entsprechender Schutzmaßnahmen können CAT-Kupferleitungen auch in explosionsgefährdeten Bereichen verlegt werden. Den erforderlichen Ex-Schutz stellen elektromechanische Schutzmaßnahmen nach den Vorgaben der Erhöhten Sicherheit „e“ sicher.

Da gängige RJ45-Stecker nicht für Anwendungen in Zone 1 geeignet sind und die Leitungseinführung in druckfest gekapselte Ex-d-Gehäuse hohen Aufwand bedeutet, verwendet man hierfür speziell für Zone 1 zugelassene Ex-e-Klemmen mit Zugfedertechnik. Damit lassen sich Ethernet-Kabel mit bis zu acht Adern und Übertragungsraten bis 1 Gbit/s sowie Power over Ethernet in einem abgesetzten, leicht zugänglichen Ex-e-Anschlussraum sehr einfach installieren.

Zur Vernetzung auch entlegener Ex-Bereiche via Ethernet bietet sich die Anbindung über Lichtwellenleiter an. Die störsichere LWL-Verkabelung bedarf weder aufwendiger Erdung noch Schirmung und ermöglicht den Datenaustausch von Sensoren und Aktoren, Remote-I/O-Systemen, Kontroll- und Überwachungskameras über kilometerlange Distanzen. Potenzielle Zündgefahren werden gemäß der Zündschutzart „op is“ nach DIN EN 60079-28 unterbunden, indem die optische Energie des Lichtbündels auf ein nicht-zündfähiges Maß begrenzt wird. Derart geschützte Installationen ermöglichen auch im Ex-Bereich den Aufbau optischer Ringe mit komfortablen Diagnose- und Meldefunktionen. Hierfür stehen entsprechende Medienkonverter und Switches für die Zone 1 und 2 zur Verfügung.

Zwar kommen Lichtwellenleiter mit „op is“ schon seit Langem als Lösung zum Einsatz, doch häufig fordern Anwendungen und Anwender die Verwendung von Kupferkabeln in explosionsgefährdeten Bereichen. Beispielsweise wird in der Namur-Empfehlung NE168 „Anforderungen an ein Ethernet-Kommunikationssystem für die Feldebene“ der Einsatz von zweiadrigen Kabeln zum Anschluss von Feldgeräten spezifiziert. Hierfür hat sich in der Prozessindustrie die Zündschutzart „Eigensicherheit“ bewährt und global etabliert.

Standards zur interoperablen eigensicheren Ethernet-Vernetzung von Feldgeräten und Systemen eröffnen neue Möglichkeiten für die digitale Prozessautomatisierung. Der Geräteschutz durch Eigensicherheit erfordert gemäß DIN EN 60079-11 die Begrenzung der Energiemenge in einem Stromkreis auf ein nicht-zündfähiges Maß, sodass Funken und thermische Effekte nicht als Zündquellen wirken können.

Eigensichere Feldbus-Systeme wie Profibus DP über RS485-IS kommen seit Langem zur Vernetzung von Remote I/Os, Bedienterminals und Analysegeräten zum Einsatz. Für die digitale Kommunikation bis zum Feldgerät werden heute oft eigensichere Zwei-Draht-Feldbusinstallationen mit Profibus PA sowie Foundation Fieldbus H1 verwendet.

Eigensicheres Ethernet setzt neue Standards

Die entscheidenden Vorzüge der Zündschutzart Eigensicherheit liegen in der unkomplizierten und komfortablen Handhabung eigensicherer Geräte, weil Umbau- und Wartungsarbeiten an eigensicheren Stromkreisen oder Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen durchgeführt werden können. Da die Notwendigkeit einer Gehäusekapselung entfällt, erübrigen sich aufwendigere Schutzmaßnahmen wie der Einsatz von d- oder p-Gehäusen.

Die hohe Flexibilität macht die Zündschutzart Eigensicherheit auch für die Ethernet-Vernetzung im Ex-Bereich attraktiv. Um zukunftsfähige Lösungen für ein interoperables und eigensicheres Ethernet zu entwickeln, hat sich R. Stahl mit anderen Herstellern in zwei Arbeitsgruppen zusammengetan. Beide Arbeitsgruppen – das Advanced Physical Layer (APL) Project und die Intrinsically Safe Ethernet Working Group – erarbeiten derzeit internationale Standards für ein eigensicheres Ethernet auf Grundlage der 10BASE-T1L- beziehungsweise der 100BASE-TX-Technologie.

Feldvernetzung bis in Zone 0

Zur Achema 2021 soll Ethernet-APL als dedizierte Lösung für den Einsatz eigensicherer Zwei-Leiter-Feldgeräte in der Prozessautomatisierung verfügbar sein. Die Technologie basiert auf dem Physical Layer von Single Pair Ethernet (SPE) 10BASE T1L nach der Spezifikation IEEE Std 802.3cg-2019.

SPE verwendet Zwei-Draht-Leitungen, um Entfernungen bis 1.000 m mit Übertragungsraten von 10 Mbit/s zu überbrücken und angeschlossene Geräte optional mittels PoDL (Power over Data Line) zu versorgen. Ethernet-APL ist zu SPE kompatibel, verwendet allerdings ein von PoDL abweichendes Speisekonzept für Feldgeräte, um die Verwendung der Zündschutzart Eigensicherheit zu ermöglichen. In Anlehnung an FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept, IEC 60079-11, -25) wird derzeit 2-WISE (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) für Ex-i-Zwei-Draht-Ethernet als IEC TS 60079-47 spezifiziert.

Der in Anlehnung an das FISCO-Konzept und zusammen mit der Dekra Exam konzipierte 2-WISE-Explosionsschutz für eigensichere Zwei-Draht-Feldbus-Systeme ermöglicht den Feldeinsatz bis in Zone 0 gemäß Atex und IECEx sowie DIV 1 bei Installationen im NEC-Geltungsbereich. Durch standardisierte Ex-i-Parameter können Ethernet-APL-Geräte unterschiedlicher Hersteller ohne rechnerischen Eigensicherheitsnachweis und ohne Berücksichtigung von Kabelparametern im Rahmen der spezifizierten Randbedingungen von Ethernet-APL beziehungsweise 2-WISE zusammengeschaltet werden.

Um die Migration bestehender Feldbusinstallationen möglichst einfach zu gestalten, sind bei 2-WISE mit FISCO kompatible Ex-i-Parameter spezifiziert und auch Feldbuskabel des Typs A weiterhin einsetzbar. Das 2-WISE-Konzept wird derzeit bei IEC durch das Project Team PT 60079-47 zur Normung vorbereitet. Bis 2021 soll eine technische Spezifikation als IEC TS 60079-47 „Equipment protection by 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet concept (2-WISE)“ vorliegen, sodass Ethernet-APL-Geräte baldmöglichst bescheinigt werden können.

Ethernet-APL gestattet unterschiedliche Installationskonzepte. Ein Beispiel: Ein APL Power Switch versorgt das Netzwerk (Trunk) mit bis zu 60 W Leistung. Im Feld installierte, vom Trunk gespeiste APL Field Switches wandeln die zugeführte Energie in eigensichere Energie und verteilen diese auf mehrere Abgänge (Spurs).

An diesen bis zu 200 m langen Ex-i-Spurs werden die Feldgeräte betrieben, die je nach Ausprägung als ia-, ib- oder ic-Stromkreise entsprechend in Zone 0, 1 oder 2 installiert sein können. Durch eine Kaskadierung der APL Field Switches lassen sich in Summe etwa 50 Ex-i-Feldgeräte je APL-Netzwerk betreiben. Auch fremdgespeiste Ethernet-APL-Switches mit Anbindung an andere Ethernet-Netzwerke wie 100BASE-TX sind möglich. Bei Verzicht auf die „hot-swap“- beziehungsweise „hot-work“-Eigenschaften der Eigensicherheit unterstützt Ethernet-APL genauso Feldgeräte mit Zündschutzarten wie druckfeste Kapselung „d“ oder Vergusskapselung „m“.

Eigensicheres 100BASE-TX-Ethernet in Arbeit

Zur IP-Vernetzung von Bedienterminals, Analysegeräten oder auch Remote-I/O-Systemen, die höhere Bandbreiten und mehr Energie benötigen, arbeitet R. Stahl in der Intrinsically Safe Ethernet Working Group an einer eigensicheren Variante des weit verbreiteten 100BASE-TX-Ethernet, auch bekannt als Fast Ethernet. Der neue 100BASE-TX-IS-Standard stellt hohe Datenraten mit 100 Mbit/s für die Prozessteuerung, Datenerfassung und -auswertung zur Verfügung.

Das explosionsgeschützte Vier-Draht-Ethernet ist vollständig interoperabel zum Industriestandard IEEE 802.3 und ermöglicht in Verbindung mit eigensicherem Frontend und gegebenenfalls galvanischen Trennungen die Anbindung konventioneller Industrieelektronik unter Weiterverwendung der Media Access Control (MAC) sowie des PHY. Im Unterschied zu Ethernet-APL bietet 100BASE-TX IS keine Speisung über das Netzwerk. Zudem ist der Übertragungsweg mittels CAT-Kabel auf die Ethernet-üblichen 100 m begrenzt.

Für deutlich größere Entfernungen bis 30 km sind 100BASE-TX-IS-Switches und Medienkonverter mit zusätzlichen LWL-Schnittstellen zum Beispiel in Zündschutzart „op is“ in der Entwicklung. Ähnlich wie Ethernet-APL mit 2-WISE erfordert 100BASE-TX-IS keinen aufwendigen Nachweis der Eigensicherheit. Da die Randparameter einer 100BASE-TX-IS Installation bekannt sind – genau zwei Teilnehmer (damit zwei Energiequellen) in Punkt-zu-Punkt-Verbindung über CAT-5/6/7-Kabel und eine Distanz von maximal 100 m – lässt sich auf Basis der IEC 60079-25 „Eigensichere Systeme“ ein allgemeingültiger Eigensicherheitsnachweis führen.

Dies wurde bereits exemplarisch von der PTB mit dem Tool ISpark durchgeführt und dokumentiert. Somit sind keine Berechnungen durch den Planer erforderlich, der Nachweis der Eigensicherheit bleibt auf die Dokumentation beziehungsweise das erforderliche Explosionsschutzdokument der Installation beschränkt.

Bildergalerie

  • Unmanaged Switches der Reihe 9721 mit vier FX-Ports für Lichtwellenleiter zum Aufbau einer schnellen Ethernet-Infrastruktur in Ex-Bereichen

    Bild: R. Stahl

  • Remote-I/O-Systeme unterstützen die explosionsgeschützte Ethernet-Übertragung bereits mittels Ex-op-is-LWL-Anbindung.

    Bild: R. Stahl

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