Wo immer Installationstechnik in der Prozessautomation im Einsatz ist, kann es zu Fehlern und Ausfällen kommen. Selbst die zuverlässige und robuste Kommunikation über Feldbus ist davon nicht ausgenommen. Um hier Schutzmaßnahmen zu ergreifen, die effektiv und zugleich effizient sind, ist es entscheidend, die tatsächliche Verfügbarkeit und die Versagensursachen genau zu kennen.

Wie genau ist es um die Verfügbarkeit einer Feldbusinstallation in der Praxis bestellt? Und welche Versagensursachen sind für die Ausfälle verantwortlich? Ohne die Antworten auf diese Fragen zu kennen, ist es kaum möglich, die Feldbusverfügbarkeit durch gezielte Schutzmaßnahmen nachhaltig zu erhöhen. Doch Verfügbarkeitsberechnungen basieren auf Angaben, Annahmen und Betrachtungen aus der Wahrscheinlichkeitsrechnung. Und hier hat man bei Pepperl + Fuchs im langjährigen Austausch mit den Anwendern immer wieder die Erfahrung gemacht, dass Annahmen zugrunde gelegt werden, die zumindest realitätsfern, zuweilen sogar schlichtweg falsch sind. Endsprechend können die Ergebnisse auch häufig die Wirklichkeit nicht richtig abbilden.

Diskrepanz zwischen Theorie und Praxis

Bei der Ermittlung der Verfügbarkeit wird oft nur die Versagenswahrscheinlichkeit einer Komponente (also der Kehrwert der Ausfallrate) herangezogen. Sie bildet den zufälligen Ausfall durch Alterung und Verschleiß der Komponente ab. Dabei bleiben aber wichtige systematische Kriterien unberücksichtigt, die in der Praxis eine entscheidende Rolle für die Verfügbarkeit spielen: Bezieht man Einflüsse der Umgebung sowie die Betriebsweise und deren Auswirkung bei der Berechnung nicht mit ein, ergibt sich eine deutliche Diskrepanz zwischen der rechnerischen Theorie und der Praxis in der Prozessautomation. Ein Blick auf die Alarm- und Ausfallstatistik zeigt nämlich, dass gerade die Einflüsse aus der Anwendung und den Umgebungsbedingungen weit häufiger für Störungen verantwortlich sind als zufällige Fehler, die zu einem Geräteausfall führen.

Will man die Verfügbarkeit nachhaltig steigern, ist es also entscheidend, die typischen Ursachen für Störungen zu identifizieren. In einem langfristig angelegten Projekt studierte Pepperl + Fuchs daher Fehlerzustände sowie deren Ursachen und Auswirkungen auf die Feldbusinfrastruktur. Hierbei zeigte sich, dass zumeist systematische Fehler zum Ausfall im Anlagenbetrieb führen. Neben der schlechten Auslegung und Planung von Segmenten oder Fehlern in der Installation sind solche typischen Versagensursachen:

• Kurzschlüsse, Kontaktprellen und Überlasten, die durch Arbeiten am Segment auftreten.
• Überspannung durch Blitzschlag sowie ein unbemerktes Nachlassen des Blitzschutzes.
• Wassereinbruch in Feldgeräte und Verteilerkästen als Folge von Umwelteinflüssen oder Betriebsweise, also z.B. durch extremen Regen, Kondensat bei hoher Luftfeuchtigkeit, Einsatz von Hochdruckreinigern und falsche oder mangelhafte Dichtungen.
  

Heuristische Bewertung der Verfügbarkeit

Da die rein rechnerische Bestimmung die tatsächliche Verfügbarkeit einer Anlage nicht realistisch wiedergibt, muss die Bestimmung der tatsächlichen Ausfallraten auf andere Weise ermittelt werden. Zur individuellen Bewertung werden die tatsächlichen oder denkbaren Fehlerzustände eines Anlagenbetriebs erfasst. Dazu gehören Probleme, die aus der Installation und Verdrahtung herrühren (z.B. falsche Terminierung, Versagen des Blitzschutzes, elektromagnetische Einstrahlung, Wackelkontakte, Kabelunterbrechungen am Trunk oder den Spurs) und Fehler, die aus den verwendeten Feldbuskomponenten kommen (z.B. Elektronikversagen bei Busspeisung oder Feldbusverteiler).

Als praxisnah erweist es sich, die Fehlerursachen, deren Eintrittswahrscheinlichkeit und deren Auswirkung wie bei einer FMEA Analyse (Failure Mode and Effects Analysis) zu erfassen und darzustellen. Das Produkt aus Eintrittswahrscheinlichkeit und Auswirkung ist die Risikokennzahl. Diese analytische Methode der Zuverlässigkeitstechnik ermöglicht es, alle denkbaren Versagensursachen zu bewerten und Lösungsmöglichkeiten vorzugeben. Über ein heuristisches Verfahren erhält jede Lösung – egal ob Komponente, redundante Auslegung oder Prozedur zur Vermeidung von Fehlern – eine Kennzahl, die aus den zugeordneten Risikokennzahlen errechnet wird. Eine hohe Kennzahl bedeutet, dass die Maßnahme mehrere oder sehr kritische Fehler verhindert. Auf diese Weise wird sichtbar, welches Vorgehen vor welchen Versagensursachen schützt. Die Höhe des Ausfallrisikos wird dabei den Kosten und dem Aufwand der Lösung gegenübergestellt. So sind Effektivität und Effizienz der Schutzmaßnahmen gleichermaßen sichergestellt.

Rein mathematische Berechnungen sind dagegen nicht geeignet, das komplexe Bild der Versagensursachen in der Praxis abzubilden. Folglich sind auch die Maßnahmen, die daraus abgeleitet werden, nicht auf die wirklich relevanten Fehler zugeschnitten. So kommt es in der Praxis häufig zur Umsetzung teurer und eigentlich irrelevanter Maßnahmen und Redundanzen, die letztlich die Verfügbarkeit nicht wirksam verbessern können.

Für jedes Problem die richtige Lösung

Natürlich hilft die richtige Methode zur Ermittlung von Verfügbarkeit und tatsächlichen Versagensursachen wenig, ohne die technischen Lösungen, die wirksam vor den so identifizierten Fehlerszenarien schützen können. Basierend auf den intensiven Studien zu Fehlerzuständen der Feldbusinfrastruktur hat Pepperl + Fuchs daher eine neue Generation von Komponenten entwickelt, die spezifisch auf die typischen Fehlerszenarien zugeschnitten ist.

Die neuen intelligenten Komponenten bringen die Diagnosefähigkeit bis ins Feld und ermöglichen so eine lückenlose Fehlererkennung. Dank vielfältiger Diagnosefunktionen können Störungen der Feldbusinstallation fast vollständig ausgeschlossen und die Verfügbarkeit weiter erhöht werden. Dabei werden alle Informationen über die reguläre Feldbuskommunikation übertragen, ohne dass Mehraufwand entsteht.

Herzstück der neuen Gerätereihe ist das Advanced Diagnostic Modul, das die Feldbusphysik überwacht und Meldungen der folgenden diagnosefähigen Komponenten erkennt und in die Leittechnik weiterreicht. Der diagnosefähige Segment Protector bietet progressiven Kurzschlussschutz mit einer exzellenten Fehlerisolierung. Die intelligente Diagnosefunktion spürt Störungen wie etwa Kontaktprellen an Spurs auf, erkennt und isoliert sie. Das Advanced Diagnostic Gateway agiert als Schnittstelle zwischen den Advanced Diagnostic Modulen und dem Leitstand. Und eine neue I/O-Funktion erlaubt es, auch den Leittechnikschrank selbst zu überwachen

Der Diagnose-Überspannungsschutz bietet Blitzschutz mit Selbstüberwachung. Er schützt Feldbus und Feldgeräte vor Blitzschlag oder Spannungsspitzen und gibt Alarm, wenn seine Funktionsreserve erschöpft ist. Der intelligente Leckagesensor kann sowohl an Feldinstrumente als auch in Verteilerkästen angeschlossen werden und erfasst schnell und zuverlässig kleinste Veränderungen der Feuchtigkeit.

Alle neuen Komponenten sind für die Bussysteme Foundation Fieldbus H1 und Profibus PA geeignet. Dank intelligenter Installation ist die neue Technologie einfach zu realisieren. Die Komponenten werden lediglich angeschlossen und laufen ohne weitere Konfiguration – ohne Feldbusadresse oder Einbindung in die Leittechnik. Die Diagnose kann damit einfach, schnell und wirtschaftlich in Betrieb genommen werden.