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01 Am Standort Meran hat Solland Silicon über 20 Jahre Erfahrung mit Profibus-Technologien

Zukunftssicher kommunizieren mit Profibus PA und Profinet

02 Seit den ersten Schritten in einer kleinen Pilotanlage haben sich Profibus DP und PA als zuverlässig erwiesen, sodass auch bei einem großen Erweiterungsprojekt wieder auf diese Kombination gesetzt wurde

Die zu verschiedenen Gelegenheiten geführten Präsentationen und Diskussionen um das Thema Industrie 4.0 legen die Vermutung nahe, dass bisherige Lösungen bereits wieder veraltet sind und abgelöst gehören. In der Prozesstechnik ist das Gegenteil der Fall. Hier zählt der Pragmatismus, genutzt wird das, was einen Prozess sicher, zuverlässig und effizient macht. Ein Musterbeispiel dafür ist Profibus PA.

Nach der Ansicht eines Anlagenfahrers aus der Chemie ist das zeitgemäß, was sich bewährt hat und einen nachweisbaren Nutzen bezüglich der Anlagenverfügbarkeit sowie der Prozesssicherheit bringt. Ein passendes Beispiel dafür ist Profibus PA, eine moderne Kommunikationstechnologie von Profibus & Profinet International für die Prozessindustrie. Der Feldbus ermöglicht lange Kabelwege und Explosionsschutz für die rauen Umgebungen in der Prozessautomatisierung. Er bietet die vollständige digitale Integration der Feldinstrumentierung in Leit- und Asset-Management- Systeme. Die Anbindung erfolgt über einen Link oder Koppler typischerweise über Profibus DP, in ersten Anwendungen auch bereits über Profinet. Die Feldgeräte sind in der Regel mit dem PA-Geräteprofil ausgestattet. Diese Lösung ermöglicht die horizontale Integration in der Feldebene einer Automatisierungsanlage und über das Leitsystem auch die vertikale Integration zur Unternehmensleitebene. Der Anwendernutzen von Profibus PA generiert sich unter anderem aus der Verwendung digitaler statt analoger Kommunikation mit allen positiven Folgerungen, der Eignung zum besonders einfachen Nachweis der Zündschutzart Eigensicherheit sowie den auf die Prozessindustrie ausgerichteten Eigenschaften des Geräteprofils (heutige Version: PA 3.02).

Digital ist einfach besser
Die analoge Kommunikation in Anlagen der Prozessindustrie mit (4 … 20) mA hat immer noch viele Anhänger. Dabei müssen diese auf viele Annehmlichkeiten und wichtige Leistungsgrößen wie hohe Präzision der Messwerte und Fernzugriff zu den Geräten verzichten. Digitale Kommunikation mit Profibus erfolgt bidirektional, was nicht nur die Kommunikation des Messwerts zum Leitsystem sonders auch in umgekehrter Richtung zum Feldgerät zum Beispiel für dessen Konfiguration erlaubt. Dabei ist weder die zusätzliche zweifache Wandlung beim Transport noch eine Skalierung notwendig. Das erhöht die Präzision des resultierenden Messwerts sowie der daran „angehängten“ Folgeprozesse, zum Beispiel bei Lieferung und interner Verrechnung von Energie oder Materiallieferung durch Rohrleitungen in Verbundanlagen. Digitale Kommunikation liefert nicht nur den Messwert, sondern gleichzeitig Statusinformationen über Geräte und den Prozess. Die Anzahl der Messstellen lässt sich durch den Einsatz multi-variabler Geräte reduzieren. Außerdem benötigt digitale Kommunikation viel weniger Verkabelung in der Anlage – bis zu 30 Geräte (typischer Weise zwölf bis 24) verbindet Profibus PA mit einer einzigen Leitung –, viel weniger Schaltschrankraum und damit insgesamt weniger Installations- und Wartungsaufwand sowie eine signifikant kürzere Inbetriebnahme.

Ex-Schutz leicht gemacht
Der Eignungsnachweis zum Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen war früher ein zeit- und kostenintensiver Vorgang, bei dem der elektrische Stromkreis als Ganzes zu bewerten war. Heute, mit modernen Feldgeräten ist das eine Angelegenheit von Minuten: Unterstützen die Feldgeräte das Fisco-Modell, dann reicht die Dokumentation der in einem PA-Segment zusammengeschalteten Geräte sowie der verlegten Leitung zur Validierung der Eigensicherheit. Das Wissen um den Gesundheitszustand der Feldgeräte durch Diagnoseinformationen hat direkten Einfluss auf die Anlagenverfügbarkeit. Schließlich sind die Feldgeräte die Informationslieferanten für den Anlagenfahrer über den Zustand seiner Anlage. Hier stellt die digitale Kommunikation Informationen bereit, deren Vielzahl die Namur bereits vor Jahren zu einer „Ordnungsmaßnahme“ in Form ihrer NE 107 veranlasst hat. Danach werden die Informationen bezüglich ihrer Wertigkeit für den Anlagenbetrieb in fünf Gruppen unterteilt und je nach Inhalt der Leit- oder Wartungsstation zugeleitet. So entsteht eine übersichtliche Lösung, die vom Profibus-PA-Profil 3.02 unterstützt wird. Wenn es in den vergangenen Jahren heiß zuging im Lager der Prozessautomatisierer, dann bei Gesprächen über Gerätetausch und Geräteintegration. Das war nicht unberechtigt, waren dafür doch ein erhöhter Zeitaufwand und Sicherheit im Umgang mit den Geräten notwendig. Es bestand auch ein Unbehagen über die Tatsache, dass sich zwei verschiedene Integrationstechnologien entwickelt hatten, was bei Anwendern und Herstellern zu einem beträchtlichen Mehraufwand und dadurch begründete Verärgerung führte. Zur Abhilfe definiert das Profibus-PA-Profil die herstellerübergreifende Darstellung von Produkteigenschaften und rückwärtskompatibles Verhalten für einen einfachen Gerätetausch; die Zweigleisigkeit der Integrationswerkzeuge wird durch die jetzt fertiggestellte einheitliche Field Device Integration (FDI)-Technologie beendet.

Erfahrungen aus der Praxis
Zwei Anwendungen in der Prozessindustrie, die auf der vergangenen PI-Konferenz vorgestellt wurden, sollen beispielhaft zeigen, welcher Weg mit Profibus gegangen wurde. So hat man bei Solland Silicon über 20 Jahre Erfahrung mit Profibus in der Produktion von polykristallinem Silizium am Standort Meran (Bild 1). Der erste Schritt fand in einer kleinen Pilotanlage statt. Seitdem haben sich Profibus DP und PA als zuverlässig erwiesen, sodass auch bei einem großen Erweiterungsprojekt wieder auf diese Kombination gesetzt wurde (Bild 2). Alle Transmitter oder Positioner wurden mit Profibus PA verbunden. Die Projektierung und Ausführung der Profibus-Linien wurde nach dem Fisco-Modell realisiert. Das Fazit der Betreiber fällt rundherum positiv aus. So wurden die Erwartungen bezüglich der Kosteneinsparungen erfüllt und die Ausfallrate der Komponenten ist sehr gering: Inzwischen vereinfachen moderne Diagnosetools die Fehlersuche erheblich. Mittlerweile geht man sogar einen Schritt weiter und hat erste Applikationen mit Profisafe und Profinet realisiert. Einen anderen Aspekt bringt Marcel Middeldorp von Dupont-Chemours ins Spiel: „Das Wichtigste bei einem Projekt mit einer neuen Technologie ist die Akzeptanz durch die Mitarbeiter. Es sind nicht die Geräte, die Technik oder die Netzwerke, die zählen, sondern die Leute müssen damit arbeiten können.“ In der Hinsicht waren seine Erfahrungen beim Projekt Gen X mehr als positiv. Dabei ging es Dupont darum, spätestens ab dem Jahr 2015 keine Perfluoroctansäure (PFOA) mehr herzustellen, zu beschaffen oder zu verwenden. Viele verfahrenstechnische Prozesse mussten dafür umgestellt werden, was nicht nur für die Verfahrenstechniker eine große Herausforderung bedeutete, sondern auch für die Automatisierungstechniker. „Geholfen hat uns, dass wir einen großen Schwerpunkt auf das Thema Netzwerk- und Gerätdiagnose gelegt und streng nach der Namur-Empfehlung 107 durchgeführt haben“, beschreibt M. Middeldorp den erfolgreichen Weg.

Fazit
Insbesondere in der Prozessautomatisierung muss eine Lösung alle Stationen im Lebenszyklus einer Prozessanlage unterstützen. Dabei kann die Lebensdauer durchaus mehrere Jahrzehnte betragen. Dies gilt von der Anlagenplanung über den Bau bis zum Betrieb einer Anlage. Profibus PA erfüllt diesen Anspruch, durch automatisierte Dokumentation und verkürzten, effektiven Loop-Check, reduzierten Installationsaufwand, einfachen Nachweis zum Betrieb in Ex-Bereichen, bedarfsorientierte Instandhaltung, einfachen Gerätetausch, Unterstützung von FDI und anderes. (no)

Schrittweise Überleitung – Profinet in der Prozessindustrie
Wann kommt Profinet in die Anlagen der Prozessindustrie? Fakt ist, dass die Feldbuskommunikation durch Ethernet- Technologien heute noch nicht alle Anforderungen der Prozesstechnik abdeckt. Ebenso werden durch lange Anlagenlebenszyklen die klassischen Technologien ihre Daseinsberechtigung in nächster Zeit nicht verlieren. Trotzdem wird Profinet schon jetzt in ersten Schritten in die Anlagen der Prozesstechnik eingeführt. Eine ganz besondere Bedeutung haben dabei die langfristige Stabilität der Technologie sowie der Investitionsschutz. Es gibt bereits heute Applikationen mit Profinet für Bereiche, in denen bisher Profibus DP im Einsatz ist, zum Beispiel die Anbindung von Remote-IO oder Motor Management Systemen. In naher Zukunft werden die neuen Spezifikationen für den Einsatz einer Kombination aus Profibus PA und Profinet eine neue Phase der Feldinstrumentierung einleiten. Speziell die Proxy-Spezifikation definiert die nahtlose Einbindung von Profibus PA in Profinet, was in gleicher Weise auch für andere Kommunikationstechnologien, wie zum Beispiel Hart, gilt. Zusätzlich werden Feldgeräte mit der bereits definierten Profinet-Technologie und externer Stromversorgung eingesetzt. Nächstes Ziel des PI-Arbeitskreises Prozessautomatisierung ist es das PA-Profil für Feldgeräte mit Profinet- Schnittstelle für (zunächst) nicht-explosionsgeschützte Bereiche zugänglich zu machen. Die energiebegrenzte Busspeisung von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen auf Ethernet bedarf einer sorgfältig durchgeführten Systemanalyse mit anschließender Spezifikationsentwicklung und Normung, da hier technologisches Neuland betreten wird. Dies wird derzeit in einer Firmengemeinschaft untersucht. PI wird sich einer herstellerübergreifenden Lösung anschließen und diese für Profinet nutzbar machen.

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Autorin:
Sabine Mühlenkamp ist freie Fachjournalistin in Karlsruhe. info@muehlenkamp.net