Explosionsschutz oder Digitalisierung für die Automatisierung?

Der Trend zur Digitalisierung ist nicht mehr aufzuhalten. Auch die Prozessautomatisierung beschäftigt sich auf den unterschiedlichsten Ebenen damit. Neue Akronyme wie APL (Advanced Physical Layer), NOA (NAMUR Open Architecture), OPAF (Open Process Automation™ Forum) oder MTP (Module Type Package) tauchen in fast jeder aktuellen Fach-Publikation auf. Im Unterschied zur industriellen Automatisierung kommt in der Prozesswelt aber eine Hürde dazu – die explosionsgefährdeten Bereiche in vielen Anlagen der Chemie-, Pharma- oder Öl&Gas-Unternehmen. Insbesondere die IP-Kommunikation bis in die Feldebene spielt in diesen Branchen und bei den neuen Konzepten eine wichtige Rolle. Die NAMUR Empfehlung NE168 „Anforderungen an ein Ethernet-Kommunikationssystem für die Feldebene“ fordert daher auch den „geeigneten Explosionsschutz“ für „Ethernet in the Field“-Lösungen. In der Vergangenheit hat sich die Zündschutzart „Eigensicherheit“ gemäß DIN EN 60079-11 in diesen Branchen bewährt und ist global sehr gut etabliert. Allerdings können je nach Applikation und Anforderung auch durchaus andere Lösungen sinnvoll sein.  

Im Folgenden soll auf die unterschiedlichen Konzepte und ihren Bezug zum Explosionsschutz eingegangen werden, unter besonderer Berücksichtigung des Themas „Ethernet im Feld“.

Die Automatisierungspyramide als Basisarchitektur in der Prozessautomatisierung hat sicher noch lange nicht ausgedient – allerdings wird zunehmen an ihrem Sockel gearbeitet. Bei dem Projekt NAMUR Open Architecture (NOA) setzt man nach wie vor auf die klassische Pyramide, erweitert diese aber um zusätzliche Funktionen. Ein Ansatz, der ideal für Anlagenerweiterungen (Brownfield) genauso gut wie für Neuanlagen (Greenfield) geeignet ist. Diese Erweiterung, auch als „zweiter Kanal“ bezeichnet, dient in erster Linie dazu, zusätzliche Informationen aus den Prozessen und den Feldgeräten nutzbar zu machen. Der zweite Kanal kann entweder als zusätzliche Infrastruktur aufgebaut werden, speziell bei Brownfield, oder die bereits vorhandene Infrastruktur nutzen, was deutlich effektiver aber meistens nur im Greenfield realisierbar ist. Speziell mit modernen Remote I/O Systemen mit Ethernet-Connectivity lässt sich diese Struktur relativ einfach erreichen und mit den mittlerweile von mehreren Herstellern verfügbaren, bescheinigten Produkten sogar in explosionsgefährdeten Bereichen bis in die Zone 1. Die Netzwerkanbindung erfolgt dann entweder über explosionsgeschützte Lichtwellenleiter (DIN EN 60079-28) oder eigensicheres Kupfer-Ethernet – dazu später mehr. In Bestandsanlagen kommuniziert ein Remote I/O System weiterhin z.B. über den klassischen PROFIBUS DP mit dem Leitsystem. Parallel kann als zweiter Kanal ein Ethernet-Netzwerk angeschlossen werden, direkt oder über entsprechende PROFIBUS/Ethernet-Gateways. Dieser zweite Kanal liefert erweiterte Informationen und Diagnosen auf Basis der HART-Daten. Bei einer Modernisierung des Leitsystems auf z.B. PROFINET ist damit die erforderliche Ethernet-Infrastruktur bereits vorhanden und der Prozessbus wird auf PROFINET-Kommunikation umgestellt - damit nur noch ein physikalisches Netzwerk für die Prozessdaten, Diagnosen und HART-Informationen. Der Zugriff auf diese zusätzlichen Daten von Engineering Stationen oder Cloud-Systemen erfolgte bisher mittels integriertem Webserver oder FDT/DTM. Mittlerweile sind aber auch explosionsgeschützte Remote I/O wie das R.STAHL IS1+ System mit integriertem OPC UA Server verfügbar und auch die moderne FDI-Technologie (Field Device Integration) ist hier demnächst einsetzbar.

Im Rahmen der Arbeiten an der NAMUR Open Architecture kommt dem offenen Standard OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) durch seine Hersteller- und Plattformunabhängigkeit für den Datenaustausch eine größere Bedeutung zu. OPC UA überträgt nicht nur Daten von Geräten oder Maschinen, wie es viele andere Protokolle auch tun, sondern ist in der Lage, diese verständlich für Maschinen zu beschreiben, die sogenannte Semantik. Dazu werden entsprechende Informationsmodelle der jeweiligen Geräte und Maschinen benötigt. Diese sind bei OPC UA in sogenannten „Companion Specifications“ beschrieben. Während es für industrielle Anwendungen wie z.B. Robotik schon viele dieser Companion Specifications gibt, war die Prozessautomatisierung hier bisher weniger vertreten. Im Jahr 2017 begann die FieldComm Group (FCG) zunächst zusammen mit der OPC Foundation, später dann auch mit Unterstützung von NAMUR und PROFIBUS/PROFINET International, ein Process Automation Device Information Model oder kurz PA-DIM zu spezifizieren, welches aktuell in Version 1.02 veröffentlicht ist. Damit lassen sich Gerätedaten unabhängig vom eingesetzten Real-Time Protokoll auslesen, z.B. mit HART über Remote I/O, und mit PA-DIM standardisiert über Ethernet und OPC UA anderen Systemen und der Cloud zur Verfügung stellen. PA-DIM bietet somit die Schnittstelle zwischen OT und IT.
Im Rahmen des derzeit in Kooperation von NAMUR und ZVEI laufenden NOA Implementation Projects wurde das Konzept in einer ca. 25 Jahren alten Bestandsanlage mit PROFIBUS DP und dem R. STAHL IS1+ System in Zone 1 erfolgreich getestet.

Noch einen Schritt weiter geht das Open Process Automation™ Forum (OPAF). Hier verlassen wir die klassische Pyramide hin zu dezentralen Strukturen. Prozessleitebene, Steuerungsebene sowie Teile der Feldebene wie Remote I/Os, Wireless Gateways oder Analysegeräte sind auf einer Ebene über einen Real-time Bus miteinander verbunden – der wiederum auf Ethernet mit OPC UA basieren kann. Spezieller Fokus liegt bei OPAF auf der durchgängigen, offenen Interoperabilität der unterschiedlichsten Hersteller bis hin zur vollständigen Austauschbarkeit von Komponenten. Ein revolutionärer Ansatz, der bis zum Einsatz in Prozessanlagen sicher noch seine Zeit brauchen wird. Insbesondere wenn man an kritische Installationen in explosionsgefährdeten Bereichen und hohe Verfügbarkeitsanforderungen denkt. Das grundsätzliche OPAF-Konzept wurde bei ExxonMobil/USA in einem Field Trial mit R. STAHL Remote I/O’s in einer nicht-Ex Installation bereits erfolgreich getestet.

Konzeptionell weiter fortgeschritten ist das Konzept der modularen Automatisierung, welches bereits auch in NOA und OPAF Einzug gehalten hat. Der Grundgedanke, immer wiederkehrende Applikationen, Maschinen oder Package Units nur einmal zu planen und dann diese als Module, hier als Process Equipment Assembly (PEA) bezeichnet, mit einer Standardschnittstelle, dem Module Type Package (MTP) in die Prozessebene, das Process Orchestration Layer (POL) einzuklinken. Damit deutliche Einsparungen bei der Planung und bei Inbetriebnahmen sowie durch Wiederverwendbarkeit solcher Lösungen. Kern dieses Konzeptes ist das standardisierte Module Type Package (MTP), welches die Eigenschaften und Schnittstellen eines Moduls beschreibt. Die MTP-Technologie wird über PROFIBUS+PROFINET International weiterentwickelt und steht derzeit als MTP 2.0 zur Verfügung. Neben diesen Beschreibungen, quasi den Geräte-Treibern, müssen natürlich auch die physikalischen Schnittstellen zusammenpassen und bei Installationen im Ex-Bereich die PEA entsprechend ausgelegt werden. Wieder zeigt sich Ethernet bzw. die damit verbundene IP-Kommunikation als eine ideale Basis, um offene und interoperable Lösungen zu schaffen – bleibt noch die Frage, wie wird das elegant im explosionsgefährdeten Bereich umgesetzt? Über die neue EXtended I/O Lösung, basierend auf dem bewährten IS1+ Remote I/O für Zone 1, hat R. STAHL die Controller-Funktion für eine PEA in den Ex-Bereich transferiert – ohne zusätzlichen Bedarf spezieller druckfest gekapselter SPSen. Bei EXtended I/O arbeitet eine Soft-PLC-Runtime im IS1+, die wiederum MTP-fähig ist und mit einer POL kommuniziert. Damit sind jetzt auch Package Units in explosionsgefährdeten Bereichen mit MTP als modulare Lösung ohne großen Mehraufwand möglich.

Eine digitale Infrastruktur in den Anlagen der Prozessindustrie ist keine neue Forderung. Der ein oder andere wird sich noch an die sogenannten Feldbuskriege der 1990er Jahre erinnern, als verschiedene Feldbuslösungen um die Gunst der Anwender buhlten. Die daraus entstandenen Lösungen, die heute im Einsatz sind, erfüllen aber weder alle aktuellen Anforderungen der Anwender noch erscheinen sie geeignet, um eine zukunftsorientierte Lösung für die digitalen Produktionsanlagen der Zukunft zu bieten. Ethernet, oder eigentlich genauer gesagt, die damit verbundene Möglichkeit zur anlagenweiten IP-Kommunikation von der Feldebene bis zum Leitsystem - und auch noch darüber hinaus – bietet hierfür bessere Voraussetzungen und bietet sich daher als Lösung an. Die beständige Weiterentwicklung der Ethernet-Technologie, wie z.B. höhere Datenraten oder bessere Echtzeitfähigkeit, sowie die global installierte Basis und die Menge an verfügbaren Ethernet-Komponenten und -Tools untermauern die Zukunftsfähigkeit. Allerdings stellt die Prozessindustrie weitergehende Anforderungen. Lange Anlagen-Lebenszeiten und die daraus resultierende lange Nutzung der Prozessleitsysteme, Feldgeräte und zugehörigen Infrastruktur sowie hohe Anforderungen an Sicherheit, Security und Verfügbarkeit sind besondere Herausforderungen für digitale und vernetzte Kommunikationssysteme. Und dazu gehört dann eben nicht zuletzt die Forderung nach einem einfach anwendbaren Explosionsschutz, wobei hier explizit die Zündschutzart Eigensicherheit „i“ (DIN EN 60079-11) im Vordergrund steht.

Seit Jahren existieren verschiedene firmenspezifische, proprietäre Realisierungen von eigensicherem Kupfer-Ethernet. Diese sind allerdings weder zueinander kompatibel noch erfüllen sie die etablierten globalen IEEE-Standards. Im Folgenden soll daher nicht weiter auf diese Speziallösungen eingegangen werden. Alternativ werden z.B. Remote I/O Systeme und HMI seit über 15 Jahren mit Ethernet in explosionsgefährdeten Bereichen mit Lichtwellenleitern installiert. Speziell die an die Eigensicherheit angelehnte Zündschutzart für optische Strahlung „op is“ (optisch inhärent sicher, DIN EN 60079-28 „„Explosive atmospheres – Part 28: Protection of equipment and transmission systems using optical radiation“) kombiniert diesen flexiblen Explosionsschutz mit großen Entfernungen von bis zu 30 km und hoher Störfestigkeit. Allerdings existieren viele Anwendungen, in denen Lichtwellenleiter entweder strukturell nicht akzeptiert werden oder funktionell gar nicht einsetzbar sind – wenn z.B. auch die Energieversorgung über das Kabel erfolgen soll, wie es bei Feldbussen in der Prozessautomatisierung üblich ist.

Grundsätzlich lassen sich Ethernet-Kabel in explosionsgefährdeten Bereichen auch nach der Zündschutzart erhöhte Sicherheit „e“ (IEC 60079-7) bzw. als Lichtwellenleiter nach „op pr“ (geschützte Verlegung nach IEC 60079-28) verlegen. Dies basiert auf einer Kombination von elektro-mechanischen Schutzmaßnahmen, damit die Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre durch Funken, Erwärmung bzw. optische Energie verhindert wird. Besonderes Augenmerk ist hierbei auf die geeigneten Kabel und die Leitungsführung zu legen, um Beschädigungen und damit potentielle Zündquellen zu vermeiden. Gängige RJ45-Stecker sind allerdings für Anwendungen in Zone 1 ungeeignet und es kommen bescheinigte Zone 1 Ethernet-Klemmen zum Einsatz. Umbauten oder Wartungsarbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen sind mit diesen Zündschutzarten nur eingeschränkt möglich und erfordern im Normalfall eine Abschaltung der Systeme.

Die Zündschutzart Eigensicherheit basiert darauf, dass zur Zündung einer definierten explosionsfähigen Atmosphäre eine bestimmte Menge Energie benötigt wird. Um eine Zündung zu vermeiden, wird daher die Energiemenge in einem eigensicheren Stromkreis auf ein ungefährliches Maß reduziert, indem Strom und Spannung entsprechend begrenzt werden. Bei eigensicheren Stromkreisen und Geräten lassen sich daher innerhalb von explosionsgefährdeten Bereichen erforderliche Arbeiten wie z.B. Erweiterungen, Umbauten oder Reparaturen unter Spannung (hot work) durchführen und Geräte hinzufügen oder trennen (hot swap), ohne dass eine vollständige Abschaltung von Anlagen oder Anlagenteilen erforderlich ist. Als nachteilig wird häufig das erforderliche rechnerische Nachweisverfahren für die eigensichere Installation aufgeführt sowie die Einschränkung der verfügbaren Energie auf ca. 2 Watt. Aspekte, die auch bei der Entwicklung von eigensicherem Ethernet eine Rolle spielen.

Diverse Ex i-Ethernet Ansätze scheiterten in der Vergangenheit an der fehlenden Interoperabilität und Kompatibilität zu internationalen Standards wie der IEEE. Um die Anforderungen der Anwender, wie z.B. von der NAMUR in der NE 168 formuliert, für ein interoperables, eigensicheres, einfach handhabbares Ethernet zu erfüllen, haben sich daher vor einigen Jahren Herstellern zusammengetan. Die beiden Arbeitsgruppen Advanced Physical Layer (APL) Project auf der einen und Intrinsicaly Safe Ethernet Working Group auf der anderen Seite erarbeiten Lösungen für standardisiertes eigensicheres Ethernet in zwei unterschiedlichen Einsatzfällen.

Ethernet-APL ist die dedizierte Lösung für den Einsatz von Ex i-2-Leiter-Feldgeräten in der Prozessautomatisierung. Die Technologie basiert auf dem Physical Layer von Single Pair Ethernet (SPE) 10BASE-T1L nach IEEE 802.3. SPE wurde konzipiert, um u.a. auf 2-Draht-Leitungen Entfernungen bis 1000 m bei 10 Mbit/s zu überbrücken und bietet gleichzeitig eine optionale Versorgung der angeschlossenen Geräte (Power over Date Lines, PoDL).

Ethernet-APL ist zu den meisten Eigenschaften von SPE kompatibel, verwendet allerdings ein von PoDL abweichendes Speisekonzept für Feldgeräte, um die Verwendung der Zündschutzart Eigensicherheit zu ermöglichen. Es werden auch andere Steckverbinder bzw. vorrangig Klemmverbindungen zum Einsatz kommen, da bei Ethernet-APL der Einsatz im Feld in der Prozessautomatisierung im Vordergrund steht.

Im APL-Projekt wurde zusammen mit IEC insbesondere die eigensichere Erweiterung zu SPE zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 0 und 1 bzw. für NEC-Installationen auch DIV 1 und 2 entwickelt. Mit diesem 2-WISE (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) genannten Konzept dürfen eigensichere Ethernet-APL-Geräte unterschiedlicher Hersteller auch ohne den wenig geliebten rechnerischen Eigensicherheitsnachweis zusammengeschaltet werden. Kabelparameter müssen im Rahmen der spezifizierten Ethernet-APL Anforderungen ebenfalls nicht weiter betrachtet werden. 2-WISE basiert wie FISCO auf der IEC 60079-25 „Eigensichere Systeme“ und vereinfacht Planung und Ex i Nachweise signifikant. Um die Migration von bestehenden Feldbusinstallationen möglich einfach zu gestalten, hat 2-WISE dieselben Ex i Parameter wie sie bei FISCO spezifiziert wurden und es dürfen auch die sogenannten Feldbus Typ A Kabel verwendet werden. Im Wesentlichen besteht damit der Unterschied in der deutlich höheren Datenrate von Ethernet-APL mit 10 Mbit/s im Vergleich zu den FISCO Feldbussen mit 31,25 kBit/s.

Das 2-WISE Konzept ist im März 2021 als Technical Specification in der IEC TS 60079-47 “Equipment protection by 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet concept (2-WISE)” veröffentlicht worden. Neben der komfortablen Lösung für den Explosionsschutz weist Ethernet-APL auch andere Vorteile auf. Aktuell am Markt verfügbar sind die Ethernet-APL Field Switches, die sich in Ethernet-übliche Sternstrukturen einbinden lassen – also wie ein Industrie-Switch. Diese werden mit 24 V bzw. 48 V versorgt und kommunizieren dann typischerweise am Standard-Ethernet Backbone wie z.B. 100BASE-TX oder –FX. Die Field Switches lassen sich zur Erhöhung der Netzwerkverfügbarkeit in Ringstrukturen einbinden und sind somit z.B. in PROFINET Netzwerken mit MRP-Ring, wahlweise auch in S2 Redundanz, einsetzbar. Die Ethernet-APL Field Switches versorgen an ihren Abgängen, den bis zu 200 m langen Spurs, die angeschlossenen Ethernet-APL Feldgeräte mit eigensicherer Energie, nämlich über 2-WISE, und sorgen für die Ex i Datenübertragung inkl. der Umsetzung von 10 auf 100 Mbit/s. Je nach Ausprägung der Spurs als ia, ib oder ic Stromkreise können Feldgeräte entsprechend in Zone 0, 1 oder 2 installiert werden. Die Field Switches sind für Zone 2 und Zone 1 Installation bescheinigt.

Daneben weisen die Field Switches auch umfangreiche Diagnosefunktionen für das Netzwerk und die angeschlossenen Geräte auf, sowie sind selbst als PROFINET Device diagnostizierbar. Die Informationen der Field Switches und Feldgeräte lassen sich dann in übergeordnete Plant Asset Management Systeme via FDI einlesen – der zweite NOA-Kanal.

In der alternativen Trunk-Spur Topologie, für die es aber aktuell noch keine Switches gibt, erfolgt eine zentrale Systemspeisung von bis zu 92 W über einen Power Switch. Damit wird das unterlagerte Netzwerk der Field Switches versorgt, welche wiederum die Feldgeräte eigensicher versorgen. Nachteil dieser Lösung, durch die begrenzte Energieversorgung über den Trunk ist eine sorgfältige Planung der Netzwerkausdehnung und Teilnehmeranzahl erforderlich. Weiterhin besteht für die Field Switches derzeit keine Möglichkeit, diese in einem hoch verfügbaren Ring zu betreiben.

Ethernet-APL wird mittlerweile von vier Standard-Entwicklungsorganisationen (SDO) für industrielle Kommunikation betreut: FieldComm Group (FCG), ODVA, OPC Foundation und PROFIBUS+PROFINET International (PI). Die SDO stellen sicher, dass Ethernet-APL auf der einen Seite kompatibel zu den jeweiligen Kommunikationsprotokollen ist, also zu HART-IP (FCG), EtherNet/IP (ODVA), OPC UA (OPC Foundation) und PROFINET (PI). Auf der anderen Seite sorgen sie dafür, dass die Technologie von ihren Mitgliedsfirmen adaptiert und verbreitet wird. 

Für Geräte, die höhere Bandbreiten und mehr Energie benötigen als mit Ethernet-APL derzeit zur Verfügung steht, wurde 100BASE-TX-IS spezifiziert. Im Fokus stehen hier komplexe Feldgeräte wie z.B. Analysegeräte, Bedienterminals oder auch Remote I/O Systeme. Die Arbeitsgruppe „Intrinsically Safe Ethernet Working Group“ erweitert das verbreitete 100BASE-TX Ethernet gemäß IEEE 802.3 um ein eigensicheres Frontend. Damit ist 4-Draht Ethernet mit Datenraten von bis zu 100 Mbit/s als eigensichere Ausführung verfügbar und dabei vollständig interoperabel zum Industriestandard. Die Kern-Elektronik von Geräten mit IEEE 802.3u konformen MAC (Media Access Control) und 100BASE-TX PHY (Physical Layer) bleibt bestehen und wird um eine Ex i Schaltung ergänzt. Gegebenenfalls sind noch zusätzliche galvanische Trennungen zur Versorgung erforderlich.

Auch hier ist, ähnlich wie bei Ethernet-APL, kein aufwändiger Nachweis der Eigensicherheit erforderlich, ein Vergleich der 100BASE-TX-IS konformen Teilnehmern ist ausreichend. Da die Randparameter einer 100BASE-TX-IS Installation immer bekannt sind, also zwei Teilnehmer (Punkt-zu-Punkt) - sprich genau zwei Energiequellen - und max. 100 m Typ CAT5/6/7 Kabel, lässt sich auf Basis der IEC 60079-25 ein allgemeingültiger Eigensicherheitsnachweis führen. Dies wurde exemplarisch durch die PTB mit dem Tool ISpark durchgeführt und dokumentiert.  Somit sind keine weiteren Berechnungen durch den Planer erforderlich und der Nachweis der Eigensicherheit beschränkt sich auf die Dokumentation der Teilnehmer und ihrer Verbindungen untereinander.

Im Unterschied zu Ethernet-APL bietet 100BASE-TX-IS keine integrierte Speisung, also kein „Ex i Power over Ex i Ethernet“. Und genauso wie beim zugrundeliegenden 100BASE-TX Standard sind Entfernungen bis maximal 100 m mit CAT-Kabeln erreichbar. Daher bieten Hersteller wie R. STAHL entsprechende 100BASE-TX-IS-Medienkonverter mit zusätzlichen LWL-Schnittstellen an. Damit sind dann auch deutlich größere Entfernungen bis in die Zone 1 überbrückbar, die bei Einsatz von Single Mode Fasern sogar 30 km oder mehr betragen können.

Mit Ethernet-APL sind bereits heute Anlagen möglich und werden auch von vielen Unternehmen geplant. Sowohl die Technologie als auch die erforderlichen Geräte sind verfügbar und nahezu jeder Feldgerätehersteller hat bereits Produkte oder steht unmittelbar vor der Markteinführung. Mit Remote I/O erfolgt schon seit Jahren die Digitalisierung von Bestandsanlagen mit konventionellen Feldgeräten um diese in Ethernet-Netzwerke einzubinden.

Aber Ethernet-APL und Remote I/O ergänzen sich auch hervorragend bei Installationen in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 1 und 2 – seitens der Real-Time Kommunikation sind die Lösungen transparent und unterstützen damit Protokolle wie EtherNet/IP, PROFINET oder HART-IP sowie OPC UA gleichermaßen. Während bei Ethernet-APL bereits die durchgängig digitale Datenübertragung bis ins Feld realisiert ist, und damit z.B. der NOA-Kanal serienmäßig verfügbar, unterstützt Remote I/O bei der Integration der installierten 4…20 mA Basis und speziell bei einfachen, nicht-Ethernet-fähigen Geräten wie z.B. Kontakte oder einfache Magnetventile. OPC UA sorgt hier für den NOA-Zugang.

Durchgängige IP-Kommunikation von der Warte bis ins Feld, das Ziel der Digitalisierungsbestrebungen in der Prozessautomatisierung ist greifbar nahe gerückt.