Durchgängige Digitalisierung bis in den Ex-Bereich

Unter Einbeziehung entsprechender Schutzmaßnahmen können CAT-Kupferleitungen auch in explosionsgefährdeten Bereichen verlegt werden. Den erforderlichen Ex-Schutz stellen elektromechanische Schutzmaßnahmen nach den Vorgaben der Erhöhten Sicherheit „e“ sicher. Da gängige RJ45-Stecker nicht für Anwendungen in Zone 1 geeignet sind und die Leitungseinführung in druckfest gekapselte Ex d-Gehäuse hohen Aufwand bedeutet, verwendet man hierfür speziell für Zone 1 zugelassene Ex e-Klemmen mit Zugfedertechnik. Damit lassen sich Ethernet-Kabel mit bis zu acht Adern und Übertragungsraten bis 1 GBit/s sowie Power over Ethernet in einem abgesetzten, leicht zugänglichen Ex e-Anschlussraum sehr einfach installieren.

Zur Vernetzung auch entlegener Ex-Bereiche via Ethernet bietet sich die Anbindung über Lichtwellenleiter an. Die störsichere LWL-Verkabelung bedarf weder aufwändiger Erdung noch Schirmung und ermöglicht den Datenaustausch von Sensoren und Aktoren, Remote I/O-Systemen, Kontroll- und Überwachungskameras über kilometerlange Distanzen. Potenzielle Zündgefahren werden gemäß der Zündschutzart „op is“ nach DIN EN 60079-28 unterbunden, indem die optische Energie des Lichtbündels auf ein nicht-zündfähiges Maß begrenzt wird. Derart geschützte Installationen ermöglichen auch im Ex-Bereich den Aufbau optischer Ringe mit komfortablen Diagnose- und Meldefunktionen. Hierfür stehen entsprechende Medienkonverter und Switches für die Zone 1 und 2 zur Verfügung.

Zukünftig soll Ethernet-APL als dedizierte Lösung für den Einsatz eigensicherer 2-Leiter-Feldgeräte in der Prozessautomatisierung verfügbar sein. Die Technologie basiert auf dem Physical Layer von Single Pair Ethernet (SPE) 10BASE-T1L nach der Spezifikation IEEE Std 802.3cg-2019. SPE verwendet 2-Draht-Leitungen, um Entfernungen bis 1000 m mit Übertragungsraten von 10 Mbit/s zu überbrücken und angeschlossene Geräte optional mittels PoDL (Power over Data Line) zu versorgen. Ethernet-APL ist zu 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. Klemmverbindungen zum Einsatz kommen, um den Anforderungen der Prozessautomatisierung zu genügen.  An der Entwicklung von Ethernet-APL wirken neben Herstellern auch die führenden Industrie-Organisationen mit, um die Kompatibilität mit den Kommunikationsprotokollen HART-IP (FieldComm Group, FCG), EtherNet/IP (ODVA), OPC UA (OPC Foundation) und PROFINET (PROFIBUS und PROFINET International, PI) zu gewährleisten.

Der in Anlehnung an FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept, siehe IEC 60079-11 und -25) und zusammen mit der DEKRA EXAM konzipierte 2-WISE-Explosionsschutz (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) für eigensichere 2-Draht-Feldbus-Systeme ermöglicht den Feldeinsatz bis in Zone 0 gemäß ATEX und IECEx sowie DIV 1 bei Installationen im NEC-Geltungsbereich. Durch standardisierte Ex i-Parameter können Ethernet-APL Geräte unterschiedlicher Hersteller ohne rechnerischen Eigensicherheitsnachweis und ohne Berücksichtigung von Kabelparametern im Rahmen der spezifizierten Randbedingungen von Ethernet-APL bzw. 2-WISE zusammengeschaltet werden. Um die Migration bestehender Feldbusinstallationen möglichst einfach zu gestalten, sind bei 2-WISE mit FISCO kompatible Ex i-Parameter spezifiziert und auch Feldbuskabel nach IEC 61158-2 vom Typ A weiterhin einsetzbar. Das 2-WISE Konzept wurde inzwischen bei der IEC durch das Project Team PT 60079-47 zur Normung vorbereitet. Im März 2021 wird die technische Spezifikation als IEC TS 60079-47 “Equipment protection by 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet concept (2-WISE)” vorliegen, so dass Ethernet-APL Geräte baldmöglichst bescheinigt werden können.

Ethernet-APL gestattet unterschiedliche Installationskonzepte. Ein Beispiel: Ein APL Power Switch versorgt das Netzwerk (Trunk) mit ca. 90 W Leistung. Im Feld installierte, vom Trunk gespeiste APL Field Switches wandeln die zugeführte Energie in eigensichere Energie und verteilen diese auf mehrere Abgänge (Spurs). An diesen bis zu 200 m langen Ex i-Spurs werden die Feldgeräte betrieben, die je nach Ausprägung als ia-, ib- oder ic-Stromkreise entsprechend in Zone 0, 1 oder 2 installiert sein können. Durch eine Kaskadierung der APL Field Switches lassen sich in Summe ca. 50 Ex i-Feldgeräte je APL-Netzwerk betreiben. Auch fremdgespeiste Ethernet-APL Switches mit Anbindung an andere Ethernet-Netzwerke wie z.B. 100BASE-TX sind möglich. Bei Verzicht auf die „hot-swap“ bzw. „hot-work“ Eigenschaften der Eigensicherheit unterstützt Ethernet-APL genauso Feldgeräte mit Zündschutzarten wie druckfeste Kapselung „d“ oder Vergusskapselung „m“.

Zur IP-Vernetzung von Bedienterminals, Analysegeräten oder auch Remote I/O Systemen, die höhere Bandbreiten und mehr Energie benötigen, arbeitet R. STAHL in der Intrinsically Safe Ethernet Working Group an einer eigensicheren Variante des weit verbreiteten 100BASE-TX-Ethernet, auch bekannt als Fast Ethernet. Der neue 100BASE-TX-IS-Standard stellt hohe Datenraten mit 100 Mbit/s für die Prozessteuerung, Datenerfassung und -auswertung zur Verfügung. Das explosionsgeschützte 4-Draht-Ethernet ist vollständig interoperabel zum Industriestandard IEEE 802.3 und ermöglicht in Verbindung mit eigensicherem Frontend und ggf. galvanischen Trennungen die Anbindung konventioneller Industrieelektronik unter Weiterverwendung der Media Access Control (MAC) sowie des PHY.

Im Unterschied zu Ethernet-APL bietet 100BASE-TX-IS keine Speisung über das Netzwerk. Zudem ist der Übertragungsweg mittels CAT-Kabel auf die Ethernet-üblichen 100 m begrenzt. Für deutlich größere Entfernungen bis 30 km sind 100BASE-TX-IS-Switches und Medienkonverter mit zusätzlichen LWL-Schnittstellen z. B. in Zündschutzart „op is“ in der Entwicklung. Ähnlich wie Ethernet-APL erfordert 100BASE-TX-IS keinen aufwändigen Nachweis der Eigensicherheit. Ein Vergleich der Teilnehmer auf Konformität zum zu Grunde liegenden Standard ist ausreichend. Da die Randparameter einer 100BASE-TX-IS Installation bekannt sind – genau zwei Teilnehmer (damit zwei Energiequellen) in Punkt-zu-Punkt-Verbindung über CAT 5/6/7 Kabel und eine Distanz von max. 100 m – lässt sich auf Basis der IEC 60079-25 „Eigensichere Systeme“ ein allgemeingültiger Eigensicherheitsnachweis führen. Dies wurde bereits exemplarisch von der PTB mit dem Tool ISpark durchgeführt und dokumentiert. Somit sind keine Berechnungen durch den Planer erforderlich, der Nachweis der Eigensicherheit bleibt auf die Dokumentation bzw. das erforderliche Explosionsschutzdokument der Installation beschränkt.

100BASE-TX-IS soll in die Normenreihen der IEC 61158-2 „Industrielle Kommunikationsnetze - Feldbusse - Teil 2: Spezifikation und Dienstfestlegungen des Physical Layer (Bitübertragungsschicht)“ bzw. IEC 61784 „Industrielle Kommunikationsnetze“ integriert werden, ähnlich wie der eigensichere Feldbus RS485-IS, der bei der Installation von PROFIBUS DP-Netzwerken in explosionsgefährdeten Bereichen häufig zum Einsatz kommt. Erste 100BASE-TX-IS Geräte könnten bald auf den Markt kommen, da der „Ex i-Umbau“ von 100BASE-TX Schnittstellen sowie die zugehörige EU-Baumusterprüfbescheinigung mit überschaubarem Aufwand möglich ist.

Die Digitalisierung verändert ganze Industrien und bestimmt die künftige Wettbewerbsfähigkeit. Bereits heute stehen der Prozessindustrie probate Lösungen für eine bandbreitenstarke IP-Vernetzung im Ex-Bereich zur Verfügung. Mit Ethernet-APL und 100BASE-TX-IS treibt R. STAHL im Verbund mit anderen Unternehmen und Industrie-Organisationen die Entwicklung neuer Standards für ein eigensicheres Ethernet voran. Beide Lösungen sind seitens der Kommunikationsprotokolle völlig transparent, unterstützen ebenso EtherNet/IP, PROFINET, OPC UA wie HART-IP und lassen sich vielseitig kombinieren. Zum Beispiel können eigensichere 2-Draht-Ethernet-Feldgeräte über Field Switches angeschlossen und von einem eigensicheren 100BASE-TX-IS-Backbone mit Remote-I/O-Systemen und dem Leitsystem verbunden werden.