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Feldbusinfrastruktur: 6 wichtige Faktoren bei der Planung

erstellt am: 05.06.2019 | von: | Kategorie(n): Allgemein, Feldbus

Viele der heuti­gen Anwen­dun­gen der Prozes­sautoma­tion sind auf­grund ihrer Effizienz in der dig­i­tal­en Kom­mu­nika­tion von der Feld­bustech­nik abhängig. Feld­bus­geräte kön­nen dem Anla­gen­be­treiber und dem Steuerungssys­tem Stan­dard-Prozess­werten mit­teilen, haben aber auch die Möglichkeit, Zusatz­in­for­ma­tio­nen wie Betrieb­sstun­den, Prozesstem­per­atur und Sta­tus­bytes zur Zus­tand­süberwachung bere­itzustellen. Dieses bre­ite Spek­trum an Mes­sun­gen ermöglicht es dem Anla­gen­be­treiber, vorauss­chauende Wartung durchzuführen, Fehler an Feldgeräten zu erken­nen und Aus­fälle vorherzusagen, um Still­stand­szeit­en zu reduzieren und die Anla­gen­ver­füg­barkeit zu erhöhen. Erfahren Sie in diesem Blog, welche 6 Fak­toren bei der Pla­nung der Feld­bus­in­fra­struk­tur zu berück­sichti­gen sind …

Feldbustopologie

Auf­grund des Kabelspan­nungsab­falls ist für die Gestal­tung der Feld­bus­in­fra­struk­tur eine Pla­nung erforder­lich. Die effizien­teste und kostengün­stig­ste Kon­struk­tion berück­sichtigt fol­gende Anforderun­gen: Loop-Zyk­luszeit, max­i­male Kabel­länge, Lastzu­s­tand und Schutz vor explo­sion­s­ge­fährde­ten Bere­ichen. Bei der Pla­nung soll­ten auch zukün­ftige Erweiterun­gen berück­sichtigt wer­den. Wir empfehlen fol­gende sechs Schritte durchzuführen:

1. Geben Sie die Umgebungsbedingungen an

Die Arbeit­sumge­bung kann die Leis­tung von Feld­buskom­po­nen­ten bee­in­flussen. Schock und mech­a­nis­che Schwingun­gen, kor­ro­sive Ele­mente und hohe Tem­per­a­turen sind Fak­toren, die häu­fig die Leis­tung beein­trächti­gen kön­nen. Zusät­zlich gilt es zu beacht­en, ob die Umge­bung explo­sion­s­ge­fährdet ist.

Ein Vorteil: Feld­busse kön­nen sowohl im explo­sion­s­ge­fährde­ten als auch im nicht explo­sion­s­ge­fährde­ten Bere­ich das gle­iche ein­fache Design haben, auch wenn dies die Pla­nung der Feld­bus­in­fra­struk­tur mit Zünd­schutz erfordert. Auf das gesamte Seg­ment oder auf einen Teil davon sind grund­sät­zlich zwei Zünd­schutzmeth­o­d­en gängig.

2. Wahl der Zündschutzmethoden für explosionsgefährdete Bereiche

Der erste Schritt, um die richtige Zünd­schutzart auszuwählen, begin­nt mit dem Pro­duk­t­sor­ti­ment. Ex-zer­ti­fizierte Net­zteile und Gerätekop­pler wider­ste­hen rauen Umge­bungs­be­din­gun­gen und hohen Belas­tun­gen. Der Zünd­schutz “erhöhte Sicher­heit” und “Funken­frei” schützt die Strom­schleife vor möglichen Stromkreisun­ter­brechun­gen, die durch mech­a­nis­che Beschädi­gung, chemis­che Ein­flüsse, Kor­ro­sion und Tem­per­atur verur­sacht wer­den. Diese Meth­o­d­en brin­gen die höch­ste Leis­tung ins Feld und ermöglichen lange Kabel­we­gen und eine große Gerätean­zahl.

Eigen­sicher­heit hat hier­bei zwei Meth­o­d­en zur Vali­dierung, das Enti­ty-Konzept und FISCO. Die Eigen­sicher­heit ermöglicht eine Instru­menten­wartung ohne Feuer­erlaub­niss­chein in allen explo­sion­s­ge­fährde­ten Bere­ichen, jedoch mit kürz­eren Kabel­we­gen. Eine Kom­bi­na­tion aus Eigen­sicher­heit und mech­a­nis­chem Schutz vere­int das Beste aus zwei Wel­ten: lange Kabel­län­gen am Trunk und Heißar­beit­en am Gerät. Die Schutzarten bes­tim­men die Art der Stromver­sorgun­gen und Feld­busverteil­er, die benötigt wer­den.

3. Definition von Schleifenstrom mit maximal zulässiger Buszykluszeit und Geräteanzahl

Für eine wirtschaftliche Seg­ment­gestal­tung ist die Ermit­tlung der max­i­mal zuläs­si­gen Buszyk­luszeit­en von Regelkreisen uner­lässlich. Dies wird durch die Zeit bes­timmt, die benötigt wird, um Sen­sor­dat­en zu erhal­ten, den Rege­lal­go­rith­mus zu ver­ar­beit­en und den Soll­w­ert an den Aktu­a­tor zu senden. Eine max­i­male Buszyk­luszeit wird basierend auf den Eigen­schaften der auszuführen­den Steuerung berück­sichtigt. Umgekehrt sind Überwachungss­chleifen mit mehr Geräten und ein­er gerin­geren Buszyk­luszeit für reduzierte Infra­struk­turkosten aus­gelegt.

Die Anzahl der Feldgeräte, die pro Seg­ment platziert wer­den kön­nen, wird durch die Buszyk­luszeit der Schleife bes­timmt. Je länger der Buszyk­lus, desto mehr Feldgeräte kön­nen pro Seg­ment angeschlossen wer­den. Welche Fak­toren die Buszyk­luszeit bee­in­flusst, kann über die Soft­ware des Host­sys­tems her­aus­ge­fun­den wer­den.

4. Instrumente auswählen / den durchschnittlichen Stromverbrauch pro Feldgerät definieren

Die IEC-Norm legt fest, dass jedem Feldgerät min­destens 9 V Span­nung zur Ver­fü­gung ste­hen müssen. Die Anzahl der Geräte und der von ihnen aufgenommene Strom bes­tim­men den Span­nungsab­fall an einem bes­timmten Kabel. Die Stro­mauf­nahme und die Anzahl der Geräte soll­ten so aus­gelegt sein, dass zukün­ftige Erweiterun­gen der Feld­bus­in­fra­struk­tur nicht durch eine zu geringe Span­nungsre­serve begren­zt wer­den.

Wichtig: Ein guter Aus­gangspunkt für die durch­schnit­tliche Stro­mauf­nahme ist 15 mA pro Feldgerät. Um eine gewisse Reserve an Span­nungsab­fall zu berück­sichti­gen, geben Sie am Feldgerät min­destens 10 V an.

Wenn eine Anwen­dung das Arbeit­en an Feldgeräten unter Span­nung erfordert, wird emp­fohlen, ein Seg­ment Pro­tec­tor zu wählen, um einen Kurz­schluss im Seg­ment zu ver­hin­dern. Ein Seg­ment Pro­tec­tor ist ein Gerätekop­pler, das einen intel­li­gen­ten Fehler­schutz an jed­er Spur bietet. Dieser Fehler­schutz geht über die bloße Kurz­schluss-Strombe­gren­zung hin­aus, indem er Fehler aus dem All­t­ag mit ein­bezieht, wie z.B. inter­mit­tierende Kon­tak­t­prellen bei Arbeit­en unter Span­nung und Geräte­fehlfunk­tio­nen, auch bekan­nt als Jab­ber. Field­Bar­ri­er bieten diesen Schutz stan­dard­mäßig an.

5. Wählen Sie Netzteil, Kabel, Verdrahtungsschnittstellen und Topologie

Die max­i­male Span­nung und der Last­strom des Net­zteils bes­tim­men den Kabelver­lauf, die Ver­drah­tungss­chnittstelle und die Anzahl der Feldgeräte. Der Kabel­typ bes­timmt auch die Seg­mentlänge. Der Kabel­typ “A”, der als Ref­eren­zk­a­bel­typ dient, erlaubt Seg­mentlän­gen bis zu 1900 Meter.

Auch wenn jede beliebige Topolo­gie gewählt wer­den kann, hat sich die Trunk-und-Spur-Topolo­gie als de fac­to Stan­dard in der Prozessin­dus­trie etabliert. Es verbindet ein bekan­ntes Konzept aus beste­hen­den Tech­nolo­gien mit ein­er über­sichtlichen Struk­tur in der Instal­la­tion, Wartung und Explo­sion­ss­chutz. Ein Trunk- oder Stammk­a­bel führt zu ein­er in der Anlage instal­lierten Feld­busverteil­er für einen kom­fort­ablen Zugang. Spur-Kabel führen vom Feld­busverteil­er zum Gerät.

6. Überprüfung der Kabellängen

Die Kabel­länge und die Buszyk­luszeit bee­in­flussen, wie viele Feldgeräte an ein Seg­ment angeschlossen wer­den kön­nen. Da die Lastkennlin­ien einiger Ver­drah­tungss­chnittstellen ein nicht­lin­ear­es Ver­hal­ten aufweisen, wird die Ver­wen­dung eines Pla­nungstools bei der Auswahl der Ver­drah­tungss­chnittstellen emp­fohlen. Seg­ment Check­er ist ein kosten­los­es Soft­ware­tool, mit dem Sie geeignete Kabel­län­gen ermit­teln kön­nen. Es ermöglicht dem Anwen­der eine schnelle Vali­dierung der Seg­ment­gestal­tung und stellt sich­er, dass die Feld­bus­in­fra­struk­tur wie benötigt funk­tion­iert, noch bevor die erste Kabel­trasse instal­liert wird. Mit dem Seg­ment Check­er kön­nen Benutzer:

  • Die Topolo­gien für typ­is­che Regel- und Überwachungskreise erstellen
  • Eine große Spur-Kabel­länge z.B. 60 m (kann später geän­dert wer­den) stan­dard­mäßig ein­stellen.
  • Trun­k­länge max­imieren, sodass keine War­nun­gen oder Fehlersig­nale angezeigt wer­den.

Diese Kabel­län­gen soll­ten für die meis­ten Seg­mente aus­re­ichend sein. Über­prüfen, ob die begren­zten Son­der­an­forderun­gen erfüllt sind: Acht­en Sie auf Prob­leme wie extra lange Kabel­län­gen, ein sehr selt­sames vorhan­denes Kabel, das wiederver­wen­det wer­den muss, Geräte mit einem ungewöhn­lich hohen Geräte­strom oder eine ungewöhn­lich hohe Gerätean­zahl für eine Überwachungss­chleife.

Über­prüfen Sie diese eingeschränk­ten, speziellen Fälle indi­vidu­ell. Diese kön­nen sog­ar mit dem Seg­ment Check­er gespe­ichert wer­den, um einen genauen Ver­gle­ich und eine Doku­men­ta­tion für “wie geplant” vs. “wie gebaut” zu erhal­ten, die mit der erweit­erten Diag­nose­funk­tion von Field­Con­nex möglich ist.

Der Plan­er kann sich nun darauf ver­lassen, dass die gewählte Infra­struk­tur ein­wand­frei funk­tion­iert. Die meis­ten Instal­la­tio­nen wer­den mit den fol­gen­den zwei Berech­nungs­beispie­len funk­tion­ieren:

Info:

Feld­bus ermöglicht eine ein­fache Verbindung und Inte­gra­tion von mul­ti­vari­ablen Geräten, um die Anzahl der Geräte, die Infra­struk­tur und die gesamten Investi­tion­skosten zu reduzieren. Durch die Dezen­tral­isierung der Feld­busverteil­er wer­den weniger Zeit und Geld für den Auf­bau von Feld­bussys­te­men als bei herkömm­lichen Kom­mu­nika­tion­ssys­te­men benötigt. Die Feld­busverteil­er wer­den in Feld­busin­stal­la­tio­nen typ­is­cher­weise inner­halb des Prozess­bere­ichs platziert, oft inner­halb Zone 1 oder 2 / Div. 2, was die Instal­la­tion vere­in­facht und die Kabel­wege zur Instru­men­tierung verkürzt. Ein Feld­bus­gerät kann ein Sig­nal direkt umset­zen und muss es nur ein­mal tun, damit der Dig­i­tal­w­ert mit höher­er Auflö­sung und keine Drift sendet. In den hochbe­lasteten Umge­bun­gen viel­er Prozes­san­la­gen bleibt die Feld­buskom­mu­nika­tion zuver­läs­sig und ist weniger anfäl­lig für Sig­nalüber­tra­gungs­fehler. Pepperl+Fuchs Field­Con­nex-Kom­po­nen­ten haben eine lange Lebens­dauer und sind für den Ein­satz unter rauen Umge­bungs­be­din­gun­gen konzip­iert.

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