P R O Z E S S T E C H N I K & A U T O M AT I O N D E Z E M B E R 2 0 0 7 4. J A H R G A N G I S S N 1 6 1 4-7 2 0 0 6 3 8 1 4 W W W. P U A 2 4. N E T 12 / 2007 DAS BRANCHEN- & TECHNIKMAGAZIN FÜR DIE PROZESSINDUSTRIE Nachdruck Mit Abstand einfach sicher
2 N A C H D R U C K P & A D E Z E M B E R 2 0 0 7 Mit Abstand einfach sicher Funktionale Sicherheit und GAMP-gerechte Automatisierung mit Remote I/O Beitrag als PDF auf www.pua24.net Profibus-Remote-I/O-Systeme haben sich bei Neuanlagen oder Anlagenerweiterungen in der Prozessindustrie etabliert, nicht zuletzt dank hoher Datenübertragungsraten und der gegenüber der konventionellen Technik verbesserten Genauigkeit. Auch unter Berücksichtigung der in der Pharmaindustrie gesetzten GAMP-Anforderungen oder gemäß dem SIL-Konzept reduzieren die Systeme den Aufwand bei der Anlagenautomatisierung. Rainer Hillebrand Remote I/O-Systeme (rechts) haben die Geräteankopplung deutlich vereinfacht. Rainer Hillebrand ist Leiter der Produktgruppe Remote I/O bei Pepperl+Fuchs in Bühl T+49/7223/9909-117 info-buehl@de.pepperl-fuchs.com D er Profibus deckt alle Belange der Datenübertragung ab, die man von einer modernen Installation erwartet. Während Profinet die Kommunikation mit hoher Geschwindigkeit über das Ethernet bietet, werden Profibus DP/DPV1 und Profibus PA bereits als bewährte Technik für die Prozessinstrumentierung in der chemischen, petrochemischen, und pharmazeutischen Industrie angesehen. Diese Anlagen haben dramatische Veränderungen durchlaufen. Die Ankopplung der Sensoren und Aktoren im Feld an das Leitsystem, früher über Punkt-zu-Punkt-Verbindung, erfordert beim Profibus-Ansatz andere Konzepte. Die Anforderungen an den Explosionsschutz in diesen Arten von Anlagen haben immer den Einsatz von Sicherheitsbarrieren bedingt. Traditionsgemäß sind diese Barrieren entweder wie DIN-Schienengeräte galvanisch getrennt oder erfordern Potenzialausgleich, wenn sie nicht galvanisch getrennt sind. Die Abbildung oben zeigt, wie viele konventionelle Baugruppen durch Remote-I/O- Stationen ersetzt werden. Verteilerkästen und Rangierverteiler werden in den Remote-I/O-Stationen in Zone 1 ebenso konzentriert wie die Signalanpassungsbaugruppen und die E/A Karten des Leitsystems selbst. Daher werden Remote I/O auch oft als intelligente Verteilerkästen bezeichnet. Mit Profibus oder Modbus Remote I/O lassen sich deutliche Einsparungen gegenüber der herkömmlichen Instrumentierung erreichen, wenn nicht andere Entscheidungskriterien im Vordergrund stehen. Während eine traditionelle Installation für einhundert Signalkreise 1.600 Klemmstellen auf dem Weg zum Leitsystem auf-
3 weist, benötigt ein Remote I/O nur 404 Klemmpunkte für dieselbe Aufgabe. Durch die Kombination verschiedener Explosionsschutztechniken innerhalb der Remote-I/O-Station ist ein steckbares System entstanden, das das Engineering vereinfacht und gleichzeitig so leicht zu handhaben ist wie galvanisch getrennte Ex-i Signalanpassungen. Die Ein- und Ausgangsmodule können bei laufendem System ohne Heißarbeitserlaubnis und ohne Anlagenstillstand ausgetauscht werden (hot-swap). Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist das Erweitern der Anlage um neue Messpunkte bei laufendem Betrieb. Dieses auch HCiR oder CiR genannte Verfahren (Hot Configuration In Run) gehört bei Remote I/O zum Stand der Technik und kann bei einigen Herstellern unabhängig von der Unterstützung dieser Funktion durch das Leitsystem vorgenommen werden. Dies ist ein beachtlicher Vorteil, da Abschaltzeiten in Anlagen kostenintensiv sind. Ohne diese Eigenschaft müssten möglicherweise ganze Anlagenteile stillgelegt werden, wenn nur ein einfacher Temperaturmesspunkt oder Durchflussmesser hinzugefügt werden soll. Geschwindigkeit und Ausdehnung Profibus überträgt 240 Byte an Informationen pro Zyklus oder 80 Analogwerte mit ausreichend Platz für Diagnosedaten. Einige Hersteller verwenden einen eigensicheren Profibus für explosionsgefährdete Bereiche und begrenzen die Anzahl der Analogkanäle auf 40. Nur ein Hersteller verwendet die Kombination verschiedener Explosionsschutzarten, um die 80 möglichen Analogkreise oder 40 energiereichen Ventilkreise voll auszuschöpfen. Bei 1.5 Megabit pro Sekunde kann der Profibus 200 Meter ohne Repeater überbrücken. Sollen 1.000 Meter erreicht werden, ist dies mit 187,5 kb/s möglich. Soll auch dann die volle Geschwindigkeit genutzt werden, bieten sich Verbindungen mit Lichtwellenleitern an. Diese sind gleichzeitig immun gegen elektromagnetische Felder und erfordern keine Repeater. Der nicht eigensichere Profibus kommt ohne Zusatzbaugruppen aus und kann bis zu 125 Stationen bei maximaler Störsicherheit unterstützen. Dies gibt dem Planungsingenieur die Freiheit, große oder kleine Remote-I/O-Stationen gemäß den Prozesserfordernissen beliebig in der Anlage zu verteilen. Ganz in Übereinstimmung mit der ursprünglichen Remote-I/O-Idee sind Stationen nahe dem Messort und den Feldgeräten. Der modulare Ansatz bietet darüber hinaus die Möglichkeit, viele andere Mess- und Regelaufgaben Seite an Seite mit den E/A-Baugruppen innerhalb einer Remote-I/O-Station zu lösen. RIO bringt alle Arten von Signalen an den Profibus, nicht nur die traditionell eigensicheren. Erst dann nutzt der Profibus seine Fähigkeiten und die der Remote I/O voll. Aus diesem Grund wurden Remote-I/ O-Baugruppen entwickelt, die eigensichere und nicht eigensichere Signale auf ein und demselben Backplane verarbeiten. Erhöhte Sicherheit und Eigensicherheit bringen Signale unterschiedlichster Art von 1-2 mw bis AC230 V bei 1 A an den Profibus. Die konventionelle Art der Einzelverdrahtung wird so vollständig ersetzt. Selbst sicherheitsrelevante Kreise können, wie später noch zu erläutern sein wird, von RIO in gewissen Bereichen bedient werden. AM-Funktionen dank Hart Hart-Kommunikationsfähigkeit eröffnet Asset-Management-Funktionalitäten, die früher nur schwer zugänglich waren. Informationen als das Standard-20 ma- Signal normalerweise freigibt. Während die Handbediengeräte in der Vergangenheit hauptsächlich zur Einstellung von Parametern und Messbereichen verwendet wurden, bietet Hart über Profibus zusätzliche Asset-Management-Funktionen wie z.b. Informationen über vorbeugende Wartung. Moderne Remote I/O für Prozessleitsysteme unterstützen die Hart- Kommunikation über den Profibus. Es gibt zwei Wege, die Hart-Kommunikation in das Profibusprotokoll einzubinden: entweder mit dem FDT-Konzept (Field Device Tool) oder dem EDDL- Tool (Electronic Device Description Language). Beide Methoden sind gleichermaßen effizient und werden daher von den meisten Remote I/O unterstützt. Abhängig vom Profibus-Master wird das eine oder andere Verfahren für die Hart-Kommunikation bevorzugt. Da die asynchronen Hart-Protokolle übertragen werden, wenn die zyklischen Danten den Bus nicht belasten, wird diese Methode auch als Nested Communication oder geschachtelte Kommunikation bezeichnet. Die Art der Schachtelung wird von einer der genannten Methoden FDT oder EDDL bestimmt. Mehrere Systemhäuser haben sich für das FDT entschieden. Die FDT-Spezifikationen definieren dabei die Sprache, in der die verschiedenen am Bus befindlichen Geräte miteinander kommunizieren können. Es gibt einen Master, der den FDT-Container enthält. Dieser ist mit einem Betriebssystem vergleichbar, in dessen Umgebung alle anderen Applikationen arbeiten. Geräte, die für das System nutzbar sein sollen, müssen über eine Feldgeräte werden seit vielen Jahren mit Hart-Kommunikationsfähigkeit ausgerüstet. Erst jetzt wird deren Potenzial voll nutzbar. In der Vergangenheit mussten Hart-Feldgeräte mit Hilfe von Handbediengeräten oder über Hart-Multiplexer bedient werden. Die intelligenten Feldgeräte enthalten jedoch viel mehr >
4 N A C H D R U C K P & A D E Z E M B E R 2 0 0 7 Workstation oder einem Klasse-2-Master über den Profibus. Daraus wird die Modulation der 20mA Signale für die angeschlossenen Transmitterspeisegeräte und Ausgangstrenner abgeleitet. Im Gegenzug senden die Feldgeräte ihre Antwort über den Profibus mit Hilfe der Nested Communication. Die Remote-I/O-Stationen können in Zone 1 installiert werden, sodass sich die Feldverdrahtung erheblich vereinfacht. Das Prozessleitsystem adressiert die Profibus Remote I/O mit den angeschlossenen Feldgeräten über die Prozessnahe Komponente (PNK). Eine Kombination mit anderen Nicht-Hart-Signalen ist in derselben Remote-I/O-Station möglich. GAMP-gerecht instrumentieren Remote I/O-Systeme können in Zone 1 installiert werden. Gerätebeschreibung, den DTM (Device Type Manager) verfügen. Hart-Feldgeräte haben ein Hart-DTM. Alle DTMs werden auf der Masterkonsole installiert, um sie in den FDT-Container einzubinden. Dabei entsteht ein offenes System, das verschiedenen Herstellern die Möglichkeit gibt, miteinander durch standardisierte Beschreibungssprachen in der Microsoft Umgebung zu leben. Einige Systemhersteller ziehen die etablierte Device Description Language (DDL) vor, die sehr ähnlich dem FDT- Konzept funktioniert. Hier sichern DDs (device descriptions) die Einbindung in die Rahmenapplikation des Masters, sodass dieser die besonderen Eigenschaften der Feldgeräte nutzen kann. Durch FDT oder EDDL wird so die Funktionalität der Hart-Feldgeräte für den Profibus zugänglich. Klasse-1- und Klasse-2-Master Wie oben beschrieben, nutzt die Hart- Kommunikation auf dem Profibus die geschachtelte Kommunikation und asynchronen Datenverkehr, der nur von Profibus DPV1 unterstützt wird. Einige Leitsysteme bieten Profibus DPV1 Master und können daher aus der Systemumgebung heraus Hart über Profibus nutzen. Sie können die besonderen Eigenschaften der Feldgeräte und der Remote I/O in vollem Umfang nutzen und Parameteränderungen und Messbereichseinstellungen über den Bus vornehmen. Auch Serviceinformation über Laufzeitintervalle können abgerufen werden. Diese geben z.b. Hinweise auf bevorstehende Wartungsarbeiten an Ventilen, deren Bewegungen im intelligenten Feldgerät selbst aufgezeichnet wurden. Da mehrere Systemhäuser sich auf Profibus DP statt Profibus DPV1 festgelegt haben, wurde es erforderlich, die asynchronen Daten mit Hilfe eines Klasse-2-Masters zugänglich zu machen. Anders als der primäre Master schafft der Klasse-2-Master einen Bypass zum DP Master und ist daher völlig unabhängig vom Klasse-1-Master. Während letzterer die normalen Mess- und Regelfunktionen zum reibungslosen Betrieb der Anlage ausübt, befasst sich der Klasse-2- Master ausschließlich mit der asynchronen Kommunikation. Dies geschieht nur bei Bedarf. In Klasse-2-Applikationen fungiert die Remote I/O als Hart-Modem und empfängt Hart-Telegramme von einer Auch gemäß der heutigen Praxis der Automatisierung in der pharmazeutischen Industrie, inzwischen auch in der Wasserwirtschaft und der petrochemischen Industrie verbreitet, kann eine auf Remote I/O aufgebaute Instrumentierung angewendet werden. Die erforderlichen Validierungsprozeduren sind dabei möglich; gleichzeitig werden die Kosten gesenkt. Die Prinzipien basieren auf international anerkannten Regeln und die Geräte stehen in voller Übereinstimmung mit den Atex-Richtlinien 94/9/EC [1] und 99/92/EC [2]. GAMP (Good Automated Manufacturing Practice) ist zum De-facto-Standard zur Validierung von Automatisierungssystemen der europäischen Pharmaindustrie geworden. Ursprünglich wurde es vom britischen Pharmabereich als Richtlinie für Hersteller und Anwender von Automatisierungssystemen kreiert. Es wird jetzt vom GAMP-Forum unter der Aufsicht der ISPE (International Society of Pharmaceutical Engineering) herausgegeben und ist in seiner vierten Revision verfügbar [3]. Validierung stellt eine zwingende Anforderung dar. Nationale Überwachungseinrichtungen wie z.b. FDA stellen durch ihre Inspektoren und Prozeduren sicher, dass die erforderlichen Kriterien eingehalten werden. Validierung kann als dokumentarischer Nachweis dafür angesehen werden, dass ein bestimmter Prozess konstant ein Produkt hervorbringt, das die vorher festgelegten Spezifikationen und Qualitätsansprüche erreicht. Durch Einhaltung der GAMP4-Prozeduren
5 kann ein Pharmaunternehmen einen vorgegebenen Prozess bewerten (validieren). Daher ist GAMP4 zu einem wichtigen Dokument in diesem Bereich geworden und Hersteller von Automatisierungskomponenten müssen ihre Dokumentation gemäß GAMP4 erstellen oder auch GAMP4-Werksabnahmen durchführen können (FAT, SAT, IQ und OQ). Es gehört für Hersteller von Automatisierungssystemen inzwischen zum Standard GAMP-Dokumentation und Abnahmezertifikate auszustellen. Ein vom Anwender und Hersteller gleichermaßen akzeptierter Standard spart Zeit und Aufwand und hilft dabei, vielfältige Interpretationen und Unterschiede in den Qualitätssicherungssystemen der Industrie auszugleichen. GAMP ist nicht restriktiv. Es ist ein Quelldokument, das unter Einhaltung eines gemeinsamen Zieles einen gewissen Grad der Flexibilität erlaubt. GAMP schützt sowohl Anwender als auch Hersteller. In diesem Zusammenhang gilt der Spruch Gott können wir vertrauen, alles andere muss man aufschreiben. Dass die Befolgung dieser Praxis Sinn macht, erkennen Hersteller und Anwender nach einer Einarbeitungszeit sehr schnell. Man spart Zeit und Kosten. Selbst in Industriezweigen, die nicht unter Aufsicht der FDA stehen, finden sich immer mehr, die in GAMP einen Weg zur Sicherstellung von Qualität und zur Vermeidung von Missverständnissen sehen. Remote-I/O-Systeme und GAMP Bei der Validierung eines Systems ist es nun möglich, die Remote-I/O-Konfiguration und die Werksabnahmeprüfung als Teil des Life cycle einzubeziehen. Hersteller haben diese Notwendigkeit erkannt, entsprechend in die Schulung der Mitarbeiter investiert und die erforderlichen Prozeduren und Dokumentationsanforderungen erstellt, um die Remote I/O nach GAMP4 -Standards testen zu können. GAMP4 FATs (Factory Acceptance Tests) werden ab Werk angeboten und geschultes Personal steht auch für GAMP4 SATs (Site Acceptance Tests) zur Verfügung. Damit wird es möglich, Remote I/O in vollem Umfang in den Validierungsprozess einzubeziehen und die erforderlichen dokumentarischen Nachweise zu erstellen. Safety Integrity Level und Remote I/O Sicherheitssysteme spielen in der Industrie eine wichtige Rolle. In der Vergangenheit war dazu im Zusammenhang mit Remote I/O oft ein zweites Abschaltsystem erforderlich. Moderne Remote I/O haben SIL2-Einstufungen aller analogen und binären Ausgangsstufen erhalten und machen dadurch die Installation einer getrennten Abschalteinrichtung (ESD - Emergency Shut Down) teilweise überflüssig. Dies wird unter Umgehung des nicht sicherheitsrelevanten Leitsystems, des Profibus-Netzwerks und des Remote I/O Gateways erreicht. Die Abschaltung wirkt direkt auf die Ausgangsmodule. Es ist eine reine Hardwarelösung, die keinerlei Software berücksichtigen muss. Die Abbildung rechts oben zeigt ein Beispiel der Funktion der Abschaltung für eine Ventilansteuerung. Der Ausgang wird abgeschaltet, wenn der Notschalter betätigt wird. Gleichzeitig bleibt die Statusinformation der Eingänge für das Leitsystem weiter lesbar. Damit kann der Schaltzustand der Ventile ebenso erkannt werden wie die Tatsache, dass die Notabschaltung betätigt wurde. In diesem Fall werden Optokoppler zur individuellen Abschaltung der Ausgangsleitung der Module verwendet, statt die Hilfsenergie für das Modul aufzutrennen. Damit wird erreicht, dass keine unnötigen Fehlermeldung an das Leitsystem übertragen werden. Ein Schwall von Alarmen könnte sonst dazu führen, dass die gesamte Station wegen Überlaufs des Meldespeichers abgeworfen wird. Fazit: Remote I/O fit für eine Vielzahl von Anwendungen Profibus Remote I/O hat sich im Laufe der Jahre sehr stark entwickelt. Es bietet einen sehr kostengünstigen Weg, eine große Zahl von Ein-/Ausgangssignalen über eine einzige Busleitung zu transportieren und macht über Hart Asset- Management-Informationen zugänglich. GAMP4 FATs stellen sicher, dass bei Eintreffen der Remote I/O beim Anwender bereits alle Konfigurationsarbeiten abgeschlossen und getestet sind. Wertvolle Inbetriebnahmezeit wird eingespart und das Remote I/O-System ist unter Erstellung der erforderlichen Dokumentation Ventiltreiber mit busunabhängigem Abschalteingang: SIL 2 kann problemlos gewährleistet werden. validiert. Des Weiteren wird durch SILzugelassene Remote I/O der Aufwand für konventionell verdrahtete Sicherheitssignale reduziert. Diese Vorteile zeigen, dass der Profibus einen der kostengünstigsten Wege zur modernen Prozessinstrumentierung darstellt. Literatur und Links [1] Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments und Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliederstaaten für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen. [2] Richtlinie 99/92/EG des Europäischen Parlaments und Rates über Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können. [3] GAMP4 - GAMP Guide for Validation of Automated Systems published by the ISPE (International Society of Pharmaceutical Engineering) in December 2001 (www.ispe.org) Dieser Beitrag als PDF und weiterführende Informationen (ähnliche Beiträge, technische Daten, Direktlinks zum Hersteller etc.) sind online verfügbar auf www. PuA24.net more @ click PA127201
Part. Nr. 207630 12/07 00