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Mit Ethernet-APL hält eine Technologie Einzug in die Prozesstechnik, die neue Möglichkeiten für einen effizienten und sicheren Anlagenbetrieb eröffnet und eine durchgängige Vernetzung von Feld- und Leittechnik über etablierte Ethernet-Protokolle ermöglicht. Für die Implementierung der APL-Technologie und der Realisierung des Überspannungsschutzes können die hierzu vorgesehenen Schutzsysteme verwendet werden.
Notwendigkeit von Überspannungsschutz in prozesstechnischen Anlagen
In der Prozessindustrie sind Konzepte für den Überspannungsschutz und Potentialausgleich etabliert. Insbesondere in den explosionsgefährdeten Bereichen ist ein durchgängiger Potentialausgleich und gegebenenfalls Überspannungsschutz erforderlich und implementiert. Die APL-Produkte können in das vorliegende Erdungs- und Schirmungskonzept integriert werden, wobei insbesondere bei der APL-Technologie ein hochwertiger Potentialausgleich für eine hohe Anlagenverfügbarkeit relevant ist. Die Produkte ermöglichen die Entkopplung der Kabelschirme, ergänzend zur klassischen einseitigen und beidseitigen Erdung. Bei Einsatz der APL-Switche im Feld und einer bestmöglichen Ausfallsicherheit wird darüber hinaus der Trunk per LWL und integriertem SFP-Modul realisiert, auch wenn eine Realisierung über RJ45 ebenfalls möglich ist.
Überspannungsschutz für APL-Signale
Als einer der führenden Hersteller im Bereich Blitz- und Überspannungsschutz hat Phoenix Contact neue Produkte entwickelt, die sich optimal mit den bereits vorhandenen Produktfamilien im Bereich Signalüberspannung und dessen Zubehörmaterial kombinieren lassen. Bei der Entwicklung wurden die relevanten Normen und Anwenderempfehlungen herstellerübergreifend erarbeitet und zeitgleich mit den Produkten umgesetzt.
Das Überspannungsschutzprodukt TTC-6P-3-APL-EX-24DC-UT-I ist speziell an die Anforderungen aus dem APL-Umfeld angepasst. Dies betrifft zunächst die Frequenzeigenschaften des Produkts. Die Innenbeschaltung mit den spannungsbegrenzenden Bauteilen unterstützt die Datenrate von 10 MBit/s. Sie hat somit keinen Einfluss auf die Datenübertragung zwischen den Switchen beziehungsweise zwischen Switch und Feldgerät. Die Übertragungseigenschaften des APL-Systems sind in der Norm IEEE 802.3cg unter der Kennzeichnung 10Base-T1L detailliert beschrieben.
Des Weiteren lässt sich das Überspannungsschutzgerät in den besonderen Umgebungsbedingungen in der Prozessindustrie einsetzen. Die Verteilerkästen werden häufig auch im Außenbereich installiert. Die APL-Produkte von Phoenix Contact sind für einen großen Temperaturbereich von -40 °C bis 85 °C zugelassen. Weiterhin können örtlich korrosive Gase oder auch gelegentlich zündfähige Gemische auftreten. Die Produkte sind entsprechend widerstandsfähig, korrosionsbeständig, verfügen über eine Ex-Zulassung und sind somit flexibel einsetzbar.
Die Signalkreise zwischen dem APL-Switch und den Feldgeräten sind eigensicher ausgeführt und der Überspannungsschutz kann einfach in 2-WISE-(Two-Wire Intrinsically Safe Ethernet)-Systeme implementiert werden. In dem Standard DIN CLC IEC/TS 60079-47 sind die speziellen Parameter beschrieben, die für derartige Konfigurationen gelten. Ähnlich wie bei dem bereits im Markt bekannten Konzept FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) sind die maximalen Eingangs- und Ausgangs-Parameter der Energien, Ströme und Spannungen so beschrieben, dass ein vereinfachter Nachweis bei der Ex-i-Systemzulassung in der Anlage möglich ist. Das Überspannungsschutzgerät verfügt über die Zulassung als 2-WISE Auxiliary Device. Dabei sind die notwendigen Parameter wie UI und II bereits so attestiert, dass eine einfache Implementation im eigensicheren APL-Kreis erfolgen kann.
Vorgaben aus dem Umfeld der Anwender
In der Zusammenarbeit der Gremien von Anwendern der Prozesstechnik wie der Profibus-Nutzerorganisation, der ODVA, der FieldCom Group sowie der OPC Foundation sind mehrere Dokumente entstanden, die das APL-Umfeld technisch genau beschreiben. In der Publikation „Port Profile Specification“ wird darauf verwiesen, dass APL-Geräte zusätzlich mit Überspannungsschutz zu ergänzen sind, um die Isolationsfestigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen und einen wirksamen Schutz zwischen den Signaladern und dem Kabelschirm gegenüber dem Erdpotential zu erhalten. Der Überspannungsschutz ist zu diesem Zweck mit äußerst leistungsfähigen Gasentladungsableiter-Komponenten ausgestattet. Die Überspannungsschutzgeräte werden möglichst nahe an den zu schützenden Komponenten (in der Regel APL-Switch) installiert und die Stichkabel werden in Durchgangsverdrahtung angeschlossen. Hierbei werden auf jeweils zwei Klemmstellen die Adern des Nutzsignals verdrahtet. Die dritte Klemme kann für den Kabelschirm verwendet werden. Hierbei hilft Zubehörmaterial, das Schirmgeflecht zu umschließen und das Potential des Kabelschirms auf eine Leitung zu überführen, die sich in die Klemme einbringen lässt.
Somit lässt sich eine indirekte Erdung des Kabelschirms realisieren, wenn dieser am Switch über Koppelkapazitäten angebunden ist. Alternativ lassen sich die Kabelschirme – wenn dies gewünscht ist – über Zubehörmaterial und eine gemeinsame Schirmschiene auf das Erdpotenzial bringen. In jedem Fall ist eine Lösung vorhanden, mit der sich der Überspannungsschutz einfach in die Installation einbringen lässt.
Fazit
Die für die Implementierung der APL-Technologie erforderlichen Produkte sind verfügbar und berücksichtigen bereits Konzepte zum Überspannungsschutz und Potentialausgleich. Für den Einsatz im Feld wird durch vorgefertigte Gehäuselösungen eine effiziente Implementierung bei bestmöglicher Ausfallsicherheit ermöglicht.
