Koexistenz von Feldbus und Ethernet in der Automation

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1 Koexistenz von Feldbus und Ethernet in der Automation 5. Industrial Ethernet Kongress Stuttgart, September 2007 Referent: Dipl.-Ing. Rolf-Dieter Sommer Produktmanager Hirschmann Automation and Control GmbH Neckartenzlingen Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 1 von 23

2 Inhalt Automatisierungsnetzwerke in der Verkehrsleittechnik Strukturierte Netzwerke Kommunikationsprotokolle Übertragungsmedien Redundanzlösungen Besondere Gesichtspunkte bei der Prozessautomatisierung Wasser- und Staubschutz Explosionsrisiken Technologische Trends Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 2 von 23

3 Automatisierung in der Verkehrsleittechnik Beispiel: Autobahntunnel Voralpenkreuz in Österreich Projekt Verkehrsbeeinflussung, Lüftungssteuerung und Sicherheitstechnik sind in den 2006 erbauten Autobahntunneln bei Wels in Österreich mit mehrfach redundanten Profibus Netzen realisiert und über Ethernet anlagenweit vernetzt. Anforderungen Hohe Betriebssicherheit. Bild: Dürr Tunnelzufahrt bei Wels Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 3 von 23

4 Datenprotokolle am Voralpenkreuz In Wels sind je nach regionaler Ausdehnung der Kommunikationsebene unterschiedliche Datenprotokolle eingesetzt. Überregional SDH Verwendete Protokolle in den Kommunikationsebenen Übertragungsbereich Lokal Teil- Anlage Anlagenweit Ethernet TCP/IP Protokoll Profibus DP, Modbus RTU Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 4 von 23

5 Netzstruktur am Voralpenkreuz Leitsystem Doppelte Auslegung aller Einheiten, Anlagenkommunikation Doppelte Fast Ethernet Ringe, Lokale Steuerungsvernetzung Profibus Ringe. Quelle: Dürr Ausschnitt Datennetz Wels Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 5 von 23

6 Übertragungsmedien in den Tunnelbauwerken Schaltschrank in Leitwarte Schaltschrank im Tunnel Bild: Dürr Bild: Dürr LWL Ethernet Kupfer Ethernet LWL Profibus Kupfer Profibus Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 6 von 23

7 Nutzbare Vorteile von Lichtwellenleitern in der Verkehrsautomation Übertragung mit Licht: keinerlei elektromagnetische Wechselwirkung mit der Umgebung, Glas als LWL-Werkstoff ist ein Isolator: keine Ausgleichsströme über das Datenkabel, auch nicht bei Blitzschlag, Lichtwellenleiter sind sehr verlustarm: schnelle Kommunikation über große Entfernungen leicht möglich. Bild: Dürr Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 7 von 23

8 Beispiel Skymetro am Flughafen Zürich Projekt Auf dem Flughafen Zürich erreichen die Fluggäste das Midfield Terminal mit einem unterirdischen Hovercraft Zug. Die vollautomatische Steuerung erfolgt mit mehrfach redundanten General Electric Steuerungen. Anforderungen hohe Zuverlässigkeit, EMV Unempfindlichkeit. Protokolle: Genius Bus in der Feldebene, Ethernet in der Steuerungsebene. Topologie: Dreifach redundante Feldbus Linien, Ethernet Ringe. Foto: Weiss Electronic Hovercraft Zug in Flughafen Terminal SPS 50µm LWL E/A Einheiten Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 8 von 23

9 Beispiel Marineschiff RV Triton Projekt Die RV Triton verfügt über ein flexibles Automatisierungssystem zur Schiffssteuerung, Maschinenkontrolle und Lecküberwachung. Anbindung der Sensoren und Aktoren mit Profibus DP. Anforderungen Hohe Verfügbarkeit aller Daten, Einfache Wartungsmöglichkeit. Protokolle: Profibus zu den I/O Punkten, Ethernet auf Leitebene. Topologie Doppelt ausgelegte LWL-Ringe. RV Triton mit modernster Technik Steuerungen 2 Profibus-DP Netze mit Multimode Fasern Ethernet verteilte Ein- Ausgabe- Geräte Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 9 von 23

10 Trends bei Projekten der Verkehrsautomatisierung Anforderungen an die Betriebssicherheit steigen Forderung der staatliche Aufsichtsbehörden, Betrieb mit minimalem Personal Aufgabe von lokalen Warten wird von zentralen Punkten übernommen, Reduzierung der Betriebskosten Vorbeugende Wartungsstrategien für die Automatisierungskomponenten, Videosignale werden in Ethernet integriert Zunahme der Datenrate, Priorisierung der Pakete. Foto: ASFINAG Tiergartentunnel in Berlin Bild: Weiss Electronic Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 10 von 23

11 Ergänzende Anforderungen der Prozessleittechnik Belastung mit Stäuben Leitfähige und explosionsfähige Stäube erfordern geeignete Gehäuse, und Schutzvorkehrungen gegen Anlagen-, Umwelt- und Personenschäden. Einfluss von korrosiven Gasen In chemischen Anlagen können Schadgase die Automatisierungsgeräte belasten. Die Elektronik muss durch geeignete Gehäuse geschützt sein. Installation in einer Kokerei Foto: Phoenix Contact Foto: Emerson Korrodierte Kontakte in einem Sensor Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 11 von 23

12 Besondere Risiken in der Prozessleittechnik Explosionsschutz In der Chemie, Petrochemie aber auch Teilen der Lebensmittelindustrie müssen die Automatisierungsgeräte über Ex-Zulassungen verfügen. Foto: Pepperl + Fuchs Ex-tauglich Kommunikationssysteme: Profibus PA, HART, Fieldbus Foundation H1. Zone 2 Foto: ASFINAG Zone 0 Zone 1 Zone 1 Zone 0 Zone 0 Zonen unterschiedlichen Risikos Ethylen Fabrik bei Marseille Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 12 von 23

13 Automatisierung in der Prozessleittechnik Beispiel: Kokerei in Schwelgern bei Düsseldorf Projekt Bei Düsseldorf steht die derzeit modernste Kokerei der Welt. Die Automatisierung in der Prozessebene erfolgt mit Profibus über Lichtwellenleiter, in den überlagerten Kommunikationsebenen mit Ethernet. Anforderungen Zuverlässiger Betrieb der Anlage, Kommunikationsgeräte mit Ex-Zulassung. Kokerei in Schwelgern Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 13 von 23

14 Datenprotokolle in der Kokerei Schwelgern In Schwelgern sind je nach Datenaufkommen unterschiedliche Kommunikationsprotokolle eingesetzt. Verwendete Protokolle in den Kommunikationsebenen Übertragungsbereich Teil- Anlage Anlagenweit 1 GBit/s Ethernet Protokoll 100 MBit/s Ethernet Lokal Profibus DP Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 14 von 23

15 Netzwerkstruktur der Kokerei Schwelgern Zentrale Kommunikation Gigabit Ethernet, Leitebene Fast Ethernet, Prozesssteuerung Profibus, Topologie Doppelt ausgelegte Ringe, Doppelte Linien im Prozess. Ausschnitt Datennetz Schwelgern Quelle: KBS Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 15 von 23

16 Beispiel Ölpipeline Kasachstan Projekt Die Steuerungen der Pumpstationen entlang der Pipeline sind über Profibus mit den Sensoren, Ventilen und Motorsteuerungen verbunden. Druck und Ölfluss müssen zur Funktion der ausgedehnten Pipeline genau geregelt sein. Anforderungen Hohe Betriebszuverlässigkeit, Ex-Zulassungen. Protokolle SDH, Ethernet, Profibus. Topologie Lokal Ringe, übergreifend Linie. Pumpstation in Kasachstan Kommunikationsprotokolle: Überregional: SDH Anlagennetz: Fast Ethernet Prozessbus: Profibus Topologie: Doppelte Ringe Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 16 von 23

17 Beispiel Ölförderung Abu Dhabi Projekt Hohe Verfügbarkeit der Prozessdaten sowie explosionssichere Technik sind wichtige Kriterien für Datennetze zur Erschließung zweier neuer Ölfelder in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Anforderungen Hohe Verfügbarkeit, Zulassungen für ATEX Zone 2. Protokolle Profibus, HART. Topologie Ringe. Öl- und Gas Gewinnung Controller 2 optische Profibus Ringe 1 optischer RS 485 Ring HART Management Remote I/O Stationen Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 17 von 23

18 Beispiel Bergbau Projekt Die Kali und Salz GmbH fördert aus unterirdischen Lagerstätten Salz. In den ausgedehnten Stollen sind die Steuerungen über Lichtwellenleiter mit ihren Ein- Ausgabegeräten verbunden. Anforderungen Einfache Instandhaltung, Flexibel änderbares Datennetz. Protokolle Ethernet, Profibus. Tolologie Ethernet Ring, Profibus Linien. Rohsalzförderung bei Kali und Salz Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 18 von 23

19 Beispiel für autarkes Steuerungsnetz LWL-Netz auf Ölplattform Projekt Offshore Ölexplorationsplattformen sind hochseetaugliche Schiffe mit Kraftwerk und Bohranlagen. Moderne Automatisierungstechnik sorgt für ein hohes Maß an Betriebssicherheit. Anforderungen Sehr zuverlässige Steuerungstechnik. Protokoll FIP I/O. Topologie Vermaschte Ringe. Ölexplorationsplattform im Atlantik Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 19 von 23

20 Vorteile von Lichtwellenleitern im Ex-Bereich LWL können eigensicher gemacht werden. Gerätegruppe Typisches Gas Zündenergie Draft IEC : I Methan 280µJ LWL sind eigensicher, solange IIA Propan, Azeton, >180µJ die Leistung unter 35mW liegt und IIB Ethylen, Isopren 60 bis 180µJ die Impulsenergie im Fehlerfall 9µJ nicht IIC Wasserstoff, Azetylen < 60µJ übersteigt. Nutzen für die Anlagenbetreiber: Über Lichtwellenleiter können auch die Ex- Bereiche in die Feldbusse und Ethernet Netze einbezogen werden. Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 20 von 23

21 LWL in rauen Umgebungsbedingungen der Prozessautomation Elektromagnetische Störungen? Blitzschlagrisiken? Explosionsgefahren? Feuchte und Verschmutzung? Große Temperaturbereiche? Licht wird hierdurch nicht beeinflusst. Glas ist ein Isolator, keine Potenzialverschleppung. Licht bildet keine Funken, kein Zündrisiko. LWL-Stecker müssen wie Cu-Stecker geschützt werden. Die Faserumhüllung bestimmt den Temperaturbereich. Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 21 von 23

22 Situation und technologische Trends in der Automation Vertikale Integration und Web-Technologien forcieren die Ausdehnung von Ethernet. Vorbeugende Wartungskonzepte umfassen alle Automatisierungskomponenten. Drahtlose Übertragung erfolgt zunächst auf der Steuerungsebene, später auch bis zu den Sensoren. In sicherheitsrelevanten Anlagenteilen bleiben auf mittlere Sicht eingeführte Techniken bestehen. Ethernet TCP/IP Profinet Ethernet IP FF H1 Profibus PA RS 485-IS Ethernet Harte Umgebungsbedingungen erfordern Fabrik Verkehr Prozess weitere technologische Anpassungen der Automatisierungsgeräte. Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 22 von 23

23 Ausblick Moderne Automatisierung ist die Schlüsseltechnologie zur Effizienzsteigerung. Daher ist zu erwarten, dass neue Möglichkeiten der Informationstechnik immer rascher übernommen werden. Lichtwellenleiter sind eine Schlüsseltechnologie für die Einbindung der explosionsgefährdeten Bereiche in das übergreifende Anlagennetz. Sie bieten insbesondere bei rauen Umgebungsbedingungen mehr Betriebssicherheit. Bei gebäudeübergreifender Verkabelung sind Lichtwellenleiter Standard und sie werden künftig vermehrt auch bei Kurzstrecken eingesetzt. Bei einem breiten Anforderungsprofil sind heterogene Datennetze oft die wirtschaftlichste Lösung für eine Anlagenautomatisierung. Dipl.-Ing. Rolf-Dieter Sommer Produktmanager Hirschmann Automation and Control GmbH Stuttgarter Strasse D Neckartenzlingen Koexistenz von Feldbussen und Ethernet in der Automation Seite 23 von 23