F4-i-Power-Supply versorgt Feldgerät über eine Zweidraht-Leitung

Eigensicheres Fast Industrial Ethernet

Nach dem Vorbild der Zweileiter-Feldbusse erfolgt die eigensichere Speisung der Feldgeräte zusammen mit einer Full-Duplex-Datenübertragung Bild: PTB
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Ethernet einfach einsetzbar in explosionsgefährdeten Bereichen und das mit Gerätespeisung, interoperabel mit unterschiedlichen Herstellern und ohne aufwändigen Eigensicherheitsnachweis – ist bisher nicht möglich? In Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben nun die Firmen ABB, R. Stahl und Siemens ein eigensicheres Industrial-Ethernet-System spezifiziert, um diese Anforderungen zukünftig erfüllen zu können.

Die Spezifikation wurde auf der Achema 2015 in Frankfurt vorgestellt. Ziel war es, sich so nah wie möglich am verbreiteten Ethernet Standard IEEE 802.3 zu orientieren.

Nach dem Einzug von Ethernet in der Fertigungsautomatisierung kommen auch immer mehr Anwender der Prozessindustrie auf den Geschmack. Die Vorteile eines Fast Industrial Ethernet mit 100 MBit/s gegenüber analogen 4…20-mA-Signalen, gegebenenfalls mit HART, oder den aktuellen Zweileiter-Feldbussen wie Profibus PA und Foundation Fieldbus H1 mit 31,25 kBit/s erscheinen überzeugend. Anders als in der Fertigungsindustrie besteht in der Prozesswelt aber auch eine starke Forderung nach Explosionsschutz. Zwar gibt es bereits Lösungen für Ethernet in explosionsgefährdeten Bereichen, wie Remote-I/O über Lichtwellenleiter, aber eine international standardisierte eigensichere Ausführung wie bei Feldbussen fehlte bisher.
Die Arbeitsgruppe hat unter den genannten Randbedingungen zwei Ausprägungen eines eigensicheren Ethernets definiert: Mit Ex-iP kann Fast Industrial Ethernet auf relativ einfachem Wege auch in den explosionsgefährdeten Bereichen der Prozessindustrie Einzug halten. Dabei lassen sich auch hier alle Vorteile der Zündschutzart Eigensicherheit nutzen – wie das An- und Abklemmen von Geräten und Komponenten während des Betriebes – gleiches gilt auch für Parametrierung und Justierung. Vergessen werden sollten auch nicht die relativ geringen Anforderungen an die Kabel- und Leitungsführung sowie an die Leitungsanschlüsse. Nach dem Vorbild der Zweileiter-Feldbusse erfolgt die eigensichere Speisung der Feldgeräte zusammen mit einer Full-Duplex-Datenübertragung (100 Mbit/s) über das Ethernet-Netzwerk, sodass keine separate Versorgung der Feldgeräte erforderlich ist. Damit stehen neben den bereits heute möglichen Anwendungen auch die zukünftigen Konzepte in Bezug auf z.B. „Industrie 4.0“ oder „Internet of Things“ offen.
In der momentanen Ausbaustufe ist Ethernet Ex-iP für die eigensichere Anbindung eines Feldgerätes an eine F4-i-Source über eine definierte Zweidraht-Leitung vorgesehen. Die als Rechteckquelle mit dynamischem Foldback arbeitende F4-i-Source bildet das Kernstück des Ex-iP-Systems. In der F4-i-Source werden gezielt dynamische Effekte während der Funkenentstehung und -ausbildung analysiert und unter sicherheitstechnischen Aspekten ausgewertet. Mittels geeigneter schaltungstechnischer Maßnahmen (zur Realisierung der gewünschten dynamischen Charakteristik) lässt sich damit eine signifikante Erhöhung der verfügbaren eigensicheren Wirkleistung gegenüber einer DC-Quelle mit statischer Rechteckkennlinie erreichen.
Die sicherheitstechnisch zulässigen Maximalwerte der F4-i-Source für Spannung und Strom ergeben sich aus den Werten der Tabelle A.1, wie sie in der IEC 60079-11 festgelegt sind. Die zur Verfügung stehende Wirkleistung einer F4-i-Source erhöht sich somit gegenüber den Werten für eine lineare Kennlinie auf den Faktor 4. Die sicherheitstechnischen Maximalwerte des Ex-iP-Systems (Ex ia IIC) sind POUT = 4,8 W, IOUT = 330 mA und UOUT = 17 VDC bei ± 4 VAC Signalspannung. Die maximale Leitungslänge beträgt 200 m, die Datenübertragungsrate 100 MBit/s.
Zur Anbindung von komplexeren Endgeräten steht darüber hinaus die Ausführung „Ethernet Ex-i“ zur Verfügung, die Übertragungsraten bis zu 1 GBit/s bei separater Energieversorgung unterstützt.
Das sicherheitstechnische Gesamtkonzept für Ex-iP entstand im Rahmen einer Forschungskooperation der PTB mit den Industriefirmen ABB Automation GmbH, R. Stahl Schaltgeräte GmbH und der Siemens AG Bereich Industry Automation.
new.abb.com/de
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