13 Behauptungen – 13 Antworten zu Remote I/O

Nicht zwingend – das hängt vom Produkt und den Bescheinigungen ab.
Es ist zu prüfen, ob das Remote I/O selbst für den Betrieb in der Zone 1 bescheinigt ist. Das erkennt man z.B. an der Ex-Kennzeichnung der Komponenten, welche auf diesen aufgebracht ist bzw. der zugehörigen Dokumentation (z.B. Betriebsanleitung, EU-Baumusterprüfbescheinigung) zu entnehmen ist. Findet man hier bei den Komponenten ein Ga oder Gb am Ende, ist der Einsatz in der Zone 0 oder Zone 1 grundsätzlich möglich. Das ist das sogenannte Geräte-Schutz-Niveau oder Equipment Protection Level. Sollte allerdings ein Ga oder Gb nur in einer Klammer auftreten, sind nur Teile der Geräte geschützt, z.B. die Feldstromkreise, und die Geräte dürfen nur mit einer zusätzlichen Zündschutzart in der Zone installiert werden – wie z.B. in einem druckfest gekapselten d-Gehäuse.
Beispiel: ein I/O-Modul hat die IECEx-Kennzeichnung „Ex ia [ia Ga] IIC T4 Gb“. Das am Ende aufgeführte Gb gestattet den Betrieb in der Zone 1. Ga deutet zwar sogar auf die Zone 0 hin, ist hier aber nur in der Klammer [ia Ga] aufgeführt und damit nur zum Teil für Zone 0 geeignet – nämlich für die eigensicheren Feldstromkreis, die bis in die Zone 0 führen dürfen.
Fehlt ein Ga oder Gb bzw. ist nur ein Gc vermerkt, dann erfordert der Einsatz in der Zone 1 tatsächlich ein separat bescheinigtes Gehäuse mit einer anderen Zündschutzart wie Ex d oder Ex p.

Das ist schon lange nicht mehr der Fall. So bietet R. STAHL bereits seit 2009 auch Remote I/O-Systeme mit Ethernet-Schnittstellen an. Und seit einigen Jahren gibt es hier mit IS1+ sogar Systeme, die sowohl den PROFIBUS DP als auch Ethernet-Protokolle wie PROFINET, EtherNet/IP und Modbus TCP an Bord haben – sowohl für Zone 2- als auch für Zone 1-Installationen. Der Anwender kann selbst am Gerät das zu verwendende Protokoll auswählen und auch wieder ändern (= ideal für Migrationskonzepte von PROFIBUS DP hin zu PROFINET). Daneben sind auch zunehmend IT-kompatible Anbindungen für Diagnosen und Asset Management Daten in Remote I/Os verfügbar, bei IS1+ ist dafür FDT/DTM, ein OPC UA Server sowie ein WebServer verfügbar. Damit steht also dem Siegeszug von Ethernet auch in der Prozessautomatisierung nichts im Wege.
Die installierte Basis mit PROFIBUS DP ist allerdings so groß, dass auch in den kommenden Jahren die meisten Remote I/O auch diese Schnittstelle weiterhin anbieten werden.

Absolut nicht. Eigentlich ist sogar gerade die Kombination aus HART-Feldgeräten und Remote I/O die ideale Lösung und erlaubt die ersten Schritte hin zu modernen Digitalisierungskonzepten. Wichtig ist, dass die Remote I/O entsprechende I/O-Module für analoge Sensoren und Aktoren mit HART unterstützen. Bei modernen Systemen ist das heutzutage üblich, so dass HART bis Version 7 verwendet werden kann. Die meist mehrkanaligen I/O-Module arbeiten dabei quasi als HART-Multiplexer und übertragen über das digitale Netzwerk die HART Commands von und zu den analogen Feldgeräten. Mehr noch: einige Systeme wie IS1+ können sogar HART-Variablen in den zyklischen Datenaustausch mit dem Leitsystem einblenden, damit lassen sich die digitalen HART-Variablen der Feldgeräte auch für Steuerungsaufgaben nutzen, sozusagen als multivariable Feldgeräte. 

Das hängt natürlich von den Anforderungen ab. Aber die Erfahrung zeigt, dass für nahezu alle Aufgaben in der Prozessautomatisierung Remote I/O-Systeme ausreichend schnell sind. Meistens liegt die Grenze eher bei den Controllern der Leitsysteme, die die Daten gar nicht so schnell verarbeiten können, wie sie von den Remote I/Os geliefert werden. Es gibt hier auch unterschiedliche Ansätze: so weisen einige Hersteller ihren Remote I/Os fixe Zykluszeiten zu, z.B. alle 50 ms, alle 100 ms usw. Beim Remote I/O IS1+ wird immer die höchstmögliche Geschwindigkeit verwendet.
Ein Beispiel hierzu: bei 100 analogen Eingangswerten benötigt IS1+ weniger als 50 ms, um diese Daten vom Sensor über einen PROFIBUS DP zum Leitsystem zu übertragen. Für 200 binäre Kontakte sogar nur ca. 20 ms. Bei Verwendung von PROFINET beschleunigt sich das sogar noch auf 40 ms bzw. 15 ms. Aber man sieht: die reine Netzwerk-Übertragungsrate ist nicht das Problem. Meistens liegt das in der Reaktionszeit der Sensoren und Aktoren. Im Vergleich zu den üblichen Zykluszeiten in der Prozessautomatisierung von 200…500 ms ist also ein Remote I/O allemal schnell genug.

Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass Remote I/O grundsätzlich teurer ist. Zunächst muss man sich überlegen, von welchen Kosten man spricht. Zum einen geht es um die Anschaffung und die Installation eines Remote I/O, auch CAPEX (Capital Expenditure) genannt. Zum anderen muss man sich auch die Betriebskosten anschauen, also was kostet mich der Betrieb über die kommenden 10 - 20 Jahre, die sogenannten OPEX-Kosten (Operational Expenditure)?
Bei CAPEX hängen die Kosten stark von den Signalmengen, dem Installationsort des Remote I/O und der Anlagenausdehnung ab. Kurz gesagt: je mehr Signale, je näher das Remote I/O an den Feldgeräten installiert wird und je länger die Entfernung zur Warte, desto preiswerter wird es. Beispielrechnungen belegen, dass ein Remote I/O sogar schon ab einer Signalmenge von 16 preiswerter als eine konventionelle Trennstufenlösung sein kann. In Szenarien mit z.B. 1000 Feldgeräten und Entfernungen ins Feld von ca. 200 m sind Remote I/O typischerweise bis zu 25 % preiswerter, bei Entfernungen bis zu 1000 m sogar nahezu 50 %. Einsparpotentiale liegen insbesondere bei den deutlich weniger zu installierenden Kabeln, der Platzeinsparung in der Warte und vor allem den deutlich geringeren Engineeringkosten.
Die OPEX-Einsparungen sind durch weitere Einflussfaktoren schwieriger zu berechnen. Geht man aber davon aus, dass der Einsatz von intelligenten Remote I/O-Lösungen wie IS1+ durch die integrierten Diagnosen und Alarme auch nur eine einzige ungeplante Abschaltung verhindern, hat man schlagartig schon hundertausende Euros gespart.

Das war in der Anfangszeit der Remote I/O-Technik in der Tat häufig der Fall. Durch die Weiterentwicklung von Kommunikationsprotokollen, der Einführung von Conformance Tests der Feldbusorganisationen und nicht zuletzt den massiven Forderungen der Anwender ist das heute deutlich flexibler. Ein Remote I/O als PROFIBUS DP Device wird über eine GSD an ein Leitsystem, den PROFIBUS DP Master angekoppelt und funktioniert zunächst ohne weitere Maßnahmen oder Tools. Allerdings benötigen trotzdem einige Leitsysteme Zusatz-Treiber um gewisse Funktionalitäten für den Anwender und Programmierer komfortabel abzubilden. So unterstützt z.B. das IS1+ Remote I/O die APL-Treiber Bibliotheken für Siemens PCS7, die Device Types für Siemens PCS neo, die fhx-Files für Emerson DeltaV und die Add-on Instructions (AOI) für Rockwell ControlLogix. Eine IS1+ Kopplung funktioniert zwar auch ohne diese Spezial-Treiber, die Integration wird aber mit ihnen einfacher und komfortabler. Daher investieren wir auch immer in diese Spezialtreiber, um es dem Anwender oder Systemintegrator dann möglichst einfach zu machen.

Die Komplexität der Projektierung hängt natürlich stark mit der „Intelligenz“ der jeweiligen Remote I/O-Lösung zusammen, ob der Hersteller dem Anwender eine umfangreiche Kalkulation der Leistungsaufnahmen je nach Systemaufbau und Montagelage zumutet oder gar die Projektierung mit proprietären Werkzeugen erfolgen muss. Oder wie bei IS1+, der Systemaufbau grundsätzlich 16 I/O-Module erlaubt, egal ob Zone 1 oder Zone 2, die in jeder Montagelage in beliebiger Anordnung installiert werden dürfen.
Das hängt aber auch in erster Linie von den Fähigkeiten und den Funktionen der Kommunikationsprotokolle ab. Bei einer Integration über PROFIBUS DP oder PROFINET wird kein zusätzliches Tool benötigt. Hier kommt die im Engineering-System standardmäßig verfügbare Integration über GSD bzw. GSDML zum Einsatz, wie bei einem Feldgerät auch. Damit lassen sich alle Einstellungen und Funktionen zentral über ein Tool durchführen und pflegen. Andere Protokolle, die weniger gut auf Remote I/O abgestimmt sind, erfordern evtl. noch weitere Tools, die sich aber auch immer an Industriestandards orientieren. So ist bei IS1+ z.B. ein leitungsfähiger DTM verfügbar, der mit allen FDT-Applikationen wie PACTware (frei erhältlich) oder FieldCare (Endress+Hauser) kompatibel ist. Aktuell laufen auch die Spezifikationsarbeiten der FDI for RIO Working Group um FDI (Field Device Integration) für Remote I/O zu ertüchtigen und damit ein weiteres, sehr leistungsfähiges Standardtool verfügbar zu machen.

Industrielle Remote I/O-Systeme, die vorrangig für die Fabrikautomatisierung konzipiert wurden und nur zusätzlich für eine Zone 2-Installation im Feld zugelassen wurden, können hier tatsächlich früher oder später Probleme machen. Bei Zone 1-Systemen, die quasi von Grund auf für den explosionsgefährdeten Bereich und den Einsatz im Feld der Prozessautomatisierung entwickelt wurden, sieht das ganz anders aus. So kann unser IS1+ in einem Temperaturbereich von -40…+75 °C ganz ohne Heiz- oder Kühlmaßnahmen über Jahre verwendet werden. Selbst starke Vibrationen oder Schockbelastung macht den Geräten nichts aus. Dafür sind sie z.B. speziell für den Einsatz auf LNG-Tankern durch entsprechende Prüfungen mit Schiffszulassung zertifiziert. Einer der Hauptanwender für Remote I/O ist die Offshore-Industrie. Einerseits ergeben sich immense Einsparungen an Gewicht durch den Wegfall vieler Kabel, andererseits arbeiten die System fehlerfrei über Jahre hinweg, so dass sogar der Einsatz auf unbemannten Plattformen immer häufiger erfolgt. Selbst Kunden ohne explosionsgefährdete Bereich setzen diese Zone 1 Remote I/Os wegen ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit immer wieder ein.

Remote I/O in Verbindung mit HART eröffnet sogar ganz neue Möglichkeiten im Vergleich zur klassischen Installation. Während bei einer reinen Trennstufen-Installation die HART-Informationen zwar transparent durchgeleitet werden, kann das Leitsystem aber häufig damit nichts anfangen. Die HART-Daten sollen zu den Engineering- und Plant Asset Management-Systemen übertragen werden. Dafür kommen dann häufig sogenannte HART-Multiplexer zum Einsatz, die die HART-Daten nach der Ex i-Trennstufe aus den analogen Signalen extrahieren und diese dann über serielle oder Ethernet-Verbindungen weiterleiten. Bei Remote I/O sind diese HART-Multiplexer schon in die entsprechenden I/O-Module integriert, so dass keine zusätzliche Hardware benötigt wird. IS1+ lässt die HART-Daten transparent passieren, von und zu den Geräten. Gleichzeitig werden aber auch optional die vier HART-Variablen je Feldgerät ausgelesen und in die zyklische Kommunikation zum Leitsystem eingefügt. D.h. das Leitsystem erhält jetzt von einem HART-Feldgerät einmal den analogen Messwert über das Netzwerk, wie bisher auch. Gleichzeitig stehen bis zu vier weitere Variablen rein digital zur Verfügung. Damit lassen sich Feldgeräte als multivariable Geräte ähnlich wie bei Feldbusgeräten einsetzen. Für HART 7-Feldgeräte sind sogar auch noch zusätzliche Statusinformationen gemäß NAMUR NE107 über das Remote I/O zyklisch lesbar. Also durchaus ein Mehrwert gegenüber der konventionellen Lösung, ganz ohne zusätzliche Kosten.

Leider ist das bei einigen Herstellern tatsächlich so, insbesondere wenn es um Systeme zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geht, die entsprechende Ex-Bescheinigungen für die jeweiligen Regionen benötigen. Der Aufwand für die Beratung der Nutzer ist deutlich höher als bei industriellen Systemen, da ja das Thema Explosionsschutz einerseits sehr umfangreich ist und andererseits auch regional unterschiedliche Vorschriften zu beachten sind. D.h. ein Verkauf über den Ladentisch ist bei explosionsgeschützten Remote I/Os eher die Ausnahme. Weiterhin sind neue Technologien und Funktionen unter der Randbedingung Explosionsschutz sehr viel aufwändiger zu integrieren, was meistens nur mit einem sehr kompetenten Entwicklungsteam in akzeptablen Zeiträumen umzusetzen ist.
Wenn man aktuell verfügbare Remote I/O-Systeme vergleicht, sieht man recht schnell, warum IS1+ als Technologieführer hervorsticht. Wir entwickeln seit über 30 Jahren Remote I/O-Systeme für Zone 1 und Zone 2 und setzen aktuell verfügbare Technologien in kurzer Zeit für den Ex-Bereich um. So haben wir 1995 den damals noch recht neuen PROFIBUS DP als eigensichere Ausführung entwickelt oder setzen seit 2009 bereits Ethernet in der Zone 1 ein. Aktuell unterstützen unsere Zone 1-Systeme bereits „neue“ Technologien wie PROFINET for PA, OPC UA, MTP oder Konzepte des Open Process Automation Forum (OPAF) – Technologien, die teilweise sogar im Industriebereich noch ganz am Anfang stehen.
Wir können unseren Anwendern also versichern: wir arbeiten kontinuierlich an unseren Produkten und bringen regelmäßig neue Funktionen auf den Markt.

Mit Sicherheit nicht. Es ist vielmehr so, dass Remote I/O einer der Treiber für die Entwicklung von eigensicheren bzw. explosionsgeschützten Ethernet-Lösungen ist. Bereits 2009 wollten die ersten Anwender Ethernet im Ex-Bereich verwenden und wir haben damals mit einer explosionsgeschützten, optischen Datenschnittstelle (Zündschutzart „op is“ gem. IEC 60079-28) die konventionellen 4…20 mA und HART Feldgeräte über Remote I/O ins Ethernet gebracht. Mittlerweise ist diese Lösung auch für CAT-Kabel eigensicher unter dem Namen 100BASE-TX-IS (IS für Intrinsic Safety) verfügbar. Heute kommt mit Ethernet-APL eine neue, explosionsgeschützte Ethernet-Schnittstelle auf den Markt, die insbesondere für den direkten Anschluss von Ethernet-Feldgeräten optimiert wurde, d.h. 10 MBit/s Übertragungsrate, 1000 m Leitungslänge und integrierte, eigensichere Feldgeräteversorgung bis in die Zone 0. Nach wie vor wird aber auch Remote I/O in diesen Neuanlagen sehr präsent sein. Aus ökonomischen Gründen macht es wenig Sinn, einfache Kontakte, Initiatoren oder Leuchtmelder und Temperatursensoren mit einer eigenen Ethernet-Schnittstelle auszustatten. Auch der verfügbare Bestand an Feldgeräten mit „klassischer“ 4…20 mA und HART-Schnittstelle wird nicht von heute auf morgen durch Ethernet-APL Geräte ersetzt werden. Alles Einsatzfälle, in denen Remote I/O als „Vermittler“ zwischen der analogen Welt und der digitalen Ethernet-Welt eine wichtige Rolle spielen wird.

Diese Behauptung ist mittlerweile überholt. Letztendlich zählt die effektivste und ökonomischste Lösung und hier kann ein Remote I/O auch „artfremd“ eingesetzt zentral in der Warte Sinn machen. Speziell bei Brownfield-Anwendungen und Anlagenerweiterungen ist der zur Verfügung stehende Platz in der Schaltwarte meistens sehr begrenzt. Und dieser Platz ist gleichzeitig sehr wertvoll, eine Erweiterung einer Schaltwarte kann schnell sehr teuer werden – wenn überhaupt möglich. Klassisch erfolgt die Installation in Verbindung mit explosionsgefährdeten Bereichen über Ex i-Trennstufen, die in der Warte in Schaltschränken installiert werden. Diese Trennstufen werden häufig über Rangierverteiler mit den IO-Karten des Leitsystems über Kabel verbunden und in Richtung Feld wiederum über Rangierverteiler und Stammkabel zu den Feldgeräten hin verdrahtet. D.h. man benötigt Platz für Schaltschränke mit der IO-Ebene des Leitsystems, für die Ex i-Trennstufen, für die Rangierverteiler und letztendlich die ganzen Kabel. Kommt ein Remote I/O zum Einsatz, ersetzt dieses sowohl die IO-Ebene des Leitsystems als auch die Ex i-Trennstufen und wird über ein oder wenige Netzwerkkabel mit dem Controller verbunden, so dass diese Rangierebene und Verkabelung entfällt. Lediglich in Richtung Feld erfolgt die Verbindung zu den Geräten über Stamm- oder Einzelkabel. Das lässt sich nur über eine „echte“ Remote I/O-Installation im Feld verhindern. Beispielrechnungen zeigen, dass ein Remote I/O als Warteninstallation eine Platzeinsparung in der Warte von bis zu 60 % bringt, als Feldinstallation sogar über 90 %.

Remote I/O in Verbindung mit eigensicheren Feldgeräten bietet in der Tat die meisten Vorteile: Installation, Austausch, Wartungsarbeiten und Umbauten lassen sich damit im Betrieb in der Zone 1 recht einfach durchführen, ohne dass spezielle Genehmigungen oder Überwachungseinrichtungen erforderlich sind. Die Anzahl der eigensicheren Feldgeräte-Varianten ist mittlerweile so groß, dass für nahezu jede Aufgabe auch eine Lösung zur Verfügung steht. Die I/O-Module des Remote I/O IS1+ sind dafür zu nahezu allen Ex i-Feldgeräte auf dem Markt kompatibel, sowohl funktionell als auch in Bezug auf die Ex i-Zusammenschaltung. Und trotzdem gibt es doch hin und wieder Geräte, die nur in Zündschutzarten wie „d“ (druckfeste Kapselung), „m“ (Vergußkapselung) oder „q“ (Sandkapselung) verfügbar sind und damit über den Anschluss in erhöhter Sicherheit „e“ erfolgen muss. Aber auch hier bietet IS1+ Lösungsmöglichkeiten. Einerseits gibt es spezielle mehrkanalige I/O-Module mit nicht-eigensicheren Schnittstellen, die zusammen mit den Ex i-Modulen auch im gleichen System gemischt installiert werden dürfen, z.B. für Magnetventile mit Ansteuerung 230 V AC / 2 A oder für pnp-Initiatoren. Dann stehen einzelkanalige Signalanpassungs-Trennstufen zur Verfügung, so dass an einem mehrkanaligen Ex i-Modul auch ein oder mehrere nicht-Ex i-Feldgeräte betrieben werden können, wie z.B. 4-Leiter-Messumformer oder Magnetventile. Die I/O-Module können dabei weiterhin im Betrieb gewechselt werden, so dass hiermit sogar die Vorteile der Eigensicherheit mit nicht-eigensicheren Feldgeräten kombiniert werden können. Die erforderlichen Trennabstände von 50 mm zwischen eigensicheren und nicht-eigensicheren Stromkreisen werden über Trennwände realisiert, die einfach auf das I/O-Modul aufgerastet werden können.

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