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Feldbusinfrastruktur: 6 wichtige Faktoren bei der Planung

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

Feldbus Topografie

Viele der heutigen Anwendungen der Prozessautomation stützen sich auf Feldbustechnik und ihrer Effizienz durch digitale Kommunikation in zwei Richtungen. Feldbusgeräte können dem Anlagenbetreiber und dem Steuerungssystem Standard-Prozesswerten mitteilen, haben aber auch die Fähigkeit, 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. Eine effiziente Planung berücksichtigt bei niedrigsten Kosten die 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. Legen Sie die Umgebungsbedingungen fest

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

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. Zwei Zündschutzmethoden sind gängig, die auf das gesamte Segment oder auf einen Teil davon angewendet werden.

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 den Stromkreis vor sicherheitsrelevanten Problemen, die durch mechanische Beschädigung, chemische Einflüsse, Korrosion und Temperatur verursacht werden. Diese Schutzarten bringen die höchste Leistung ins Feld und ermöglichen lange Kabelwegen und eine große Geräteanzahl.

Wahl der Zündschutzmethoden

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 Wahl der Schutzarten bestimmt 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. Hierfür wird 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 Regelung berücksichtigt. Umgekehrt werden 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 beeinflussen, kann über die Software des Hostsystems ermittelt 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 behindert werden.

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, einen Segment Protector zu wählen, um einen Kurzschluss im Segment zu verhindern. Ein Segment Protector ist ein Gerätekoppler, der einen intelligenten Fehlerschutz an jedem Spur bietet. Dieser Fehlerschutz geht über die bloße Kurzschluss-Strombegrenzung hinaus, indem er Fehler aus dem Alltag mit einbezieht, wie z.B. intermittierendes Kontaktprellen bei Arbeiten unter Spannung und Gerätefehlfunktionen, auch bekannt als Jabber. Feldbarrieren bieten diesen Schutz standardmäßig an.

5. Wählen Sie Netzteil, Kabel, Verdrahtungsschnittstellen und Topologie

Die maximale Spannung und der Nennstrom des Netzteils bestimmen den maximal möglichen Kabelverlauf, die Feldverteiler 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, der Wartung und dem Explosionsschutz. Ein Trunk- oder Stammkabel führt zu einem in der Anlage einfach und bequem zugängig installierten Feldbusverteiler. 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 Feldverteiler ein nichtlineares Verhalten aufweisen, wird die Verwendung eines Planungstools bei der Auswahl der Feldverteilung empfohlen. Segment Checker ist ein kostenloses Softwaretool, mit dem Sie geeignete Kabellängen ermitteln können. Es ermöglicht dem Anwender eine schnelle Validierung des Segmentdesigns und stellt sicher, dass die Feldbusinfrastruktur wie erwartet 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. Zum Schluss überprüft man, die wenigen Sonderfälle: Achten Sie auf Situationen wie extra lange Kabellängen, vorhandene Kabel, die wiederverwendet werden müssen, Geräte mit einem ungewöhnlich hohen Gerätestrom oder eine ungewöhnlich hohe Geräteanzahl an einem Segment.

Überprüfen Sie diese eingeschränkten, speziellen Fälle individuell. Diese können sogar mit dem Segment Checker gespeichert und mit Advanced Diagnostics überprüft werden, um einen genauen Vergleich und eine Dokumentation für „wie geplant“ vs. „wie gebaut“ zu erhalten.

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

Tabelle des Berechnungsbeispiels

Info:

Feldbus ermöglicht eine einfache Verbindung und Integration von multivariablen Geräten, um die Anzahl der Geräte, die Infrastruktur und die Investitionskosten als Ganzes zu reduzieren. Durch die dezentral installierten Feldbusverteiler werden weniger Zeit und Geld für den Aufbau von Feldbussystemen als bei herkömmlichen Kommunikationssystemen benötigt. Die Feldbusverteiler werden typischerweise innerhalb des Prozessbereichs platziert, oft innerhalb Zone 1 oder 2 / Div. 2, was die Installation vereinfacht und die Kabelwege zur Instrumentierung verkürzt. Die Feldbusgerät setzt das Signal direkt und genau einmal um, sodass der Digitalwert mit höherer Auflösung und ohne Drift übertragen werden kann. In den schwierigen Umgebungsbedingungen vieler Prozessanlagen bleibt die Feldbuskommunikation dauerhaft 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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