Der High-Power Trunk hat den Weg bereitet, aber erst Dynamic Arc Recognition and Termination (DART) ermöglicht eine wirklich brauchbare und vollständig eigensichere Feldbusinfrastruktur. Mit DART für den Feldbus erweitert Pepperl + Fuchs seine erfolgreiche Marke FieldConnex. Die Kombination aus dem High-Power Trunk und der neuen Technologie DART sorgt für Eigensicherheit durchgängig von der Quelle bis zum Feldgerät und baut auf dem vorhandenen Produktdesign der Field Connex-Reihe auf. Das schützt nicht nur die Investitionen in die bestehende Instrumentierung. Das ist auch die Technik der Zukunft, die genügend nutzbare Leistung für alle Feldgeräte im Ex-Bereich zur Verfügung stellt.

Anfangs misstrauisch beäugt, haben sich digitale Buskonzepte mittlerweile auch in der Prozessindustrie durchgesetzt. Auf die Dauer konnten sich die Anlagenbetreiber einfach nicht den Vorteilen entziehen, die sich ergeben, wenn die gesamte Kommunikation auf Feldbus­ebene über ein Datennetzwerk fließt, das eine deutlich einfachere Struktur mit sich bringt. Darüber hinaus ermöglichen erst Feldbus-Lösungen die umfassende Überwachung der physikalischen Ebene und eröffnen damit neue Wege für vorbeugende und bedarfsorientierte Wartungskonzepte zur Erhöhung der Prozesssicherheit und Anlagenverfügbarkeit.
Ein Problem ist jedoch heute noch der explosionsgefährdete Bereich. In der Ex-Zone kommt es auf Eigensicherheit an, und die lässt sich mit der für Feldbus erforderlichen elektrischen Leistung bisher nur schwer vereinbaren. Mit Dynamic Arc Recognition and Termination - kurz DART - steht jedoch jetzt ein Lösungsweg zur Verfügung, der auf einem völlig neuen technischen Konzept beruht und vollständig eigensicher endlich die Leistung verfügbar macht, die von vielen Feldgeräten benötigt wird.

Die Zukunft ist offen

Keine Frage, die Zukunft der Prozesssteuerung liegt in offenen Systemen und standardisierten Lösungen. Nur so lassen sich langfristig die im Bereich der Prozessindustrie oftmals immens hohen Investitionen sichern. Und nur so ist sichergestellt, dass die unterschiedlichsten Feldgeräte und Steuerungen problemlos miteinander kommunizieren können. Proprietäre Lösungen sind daher am Aussterben. Stattdessen gehört dem Feldbus die Zukunft, und zukunftsorientierte Technologien müssen auf diese Kommunikationsinfrastruktur aufsetzen.
DART ist ein offenes System, das in unsere Zeit passt. Und es ist eine Technologie für den Feldbus. Die momentan entstehende technische Spezifikation wird schon bald in eine eigene IEC-Norm münden und DART über kurz oder lang zum neuen Standard für die eigensichere Energieversorgung im Ex-Bereich machen.

Power gefragt: Von Entity bis zum High-Power Trunk

Die Entwicklung von Konzepten zur eigensicheren Energieversorgung im Ex-Bereich reicht bis in die 80er Jahre zurück. Am Anfang stand das Entity-Modell nach IEC 60079-11, mit dem erstmals eine Methode zur Validierung und Installation eigensicherer Stromkreise definiert wurde. Ein Lösungsweg, der jedoch recht aufwendige Berechnungen erforderte und wegen seiner geringen Leistung daher in der Praxis nur selten umgesetzt wurde.
Fisco, das Fieldbus Intriniscally Safe Concept, in den 90er Jahre erarbeitet von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, bietet die einfachste Methode zur Validierung des Explosionsschutzes und kommt ohne Berechnungen aus. Seitdem gibt es ein breites Angebot an Fisco-konformen Geräten. Doch auch Fisco ist wegen der nach wie vor geringen Leistung nicht wirklich der Renner.
Einen ersten echten Durchbruch brachte das High-Power-Trunk-Konzept (HPTC). Es bestimmte um den Jahrtausendwechsel die Szene und hat maßgeblich zu einer breiten Akzeptanz des Feldbusses in der Prozessautomation beigetragen. Außerdem machte es Schluss mit begrenzten Kabellängen und erlaubte erstmals den Anschluss einer ausreichend große Anzahl von Feldgeräten pro Segment für den wirtschaftlichen Einsatz der Feldbustechnologie im Ex-Bereich. Beim HPTC wird die Energie für die Feldgeräte über einen Trunk nach Ex e Klassifizierung bereitgestellt. Energie begrenzende Feldbarrieren liefern an ihren Ausgängen eigensichere Energie für Fisco- oder Entity-Feldgeräte.

DART macht den High- Power Trunkt eigensicher

Der DART-High-Power-Trunk wird mit Fokus auf den Bestandsschutz ausgelegt. Mithilfe von DART lässt sich der High-Power Trunk durchgängig eigensicher (Ex ib) auslegen. Nur der Trunk selbst wird durch DART geschützt. Bis zu vier DART-Segment-Protektoren sind an einen Trunk anschließbar und realisieren die eigensichere Stromversorgung nach Fisco und Entity wie beim heutigen High-Power Trunk. Alle existierenden Feldbus-basierten Feldgeräte sind einsetzbar. Dabei ist eine maximale Länge des Trunks von 1.000 Metern zulässig. Die Installation ist erheblich einfacher und erlaubt eine hohe Anzahl von Feldgeräten.
Eine DART-Feldbus-Infrastruktur orientiert sich an der Trunk-und-Spur-Topologie mit bis zu vier Segment-Protektoren (SP). Diese Protektoren enthalten das bei DART wichtige Entkopplungsmodul. Die SP dürfen an beliebiger Stelle am Trunk platziert sein. Der Trunk wird durch eigensicher ausgelegte Abschlusswiderstände abgeschlossen. Ein Vergleich der Systeme macht schnell deutlich, dass DART eine echte Revolution im Bereich der eigensicheren Stromversorgung ist. Die für die Feldgeräte verfügbare Leistung ist um ein Vielfaches höher als bei Fisco und gleicht etwa der des HPTC von heute.
Im Vergleich zu Fisco ergeben sich viele Vorteile: Die Feldbusphysik unterliegt einer ständigen Überwachung, durch die Fehlerquellen erkennbar werden, noch bevor sie zum Problem führen können. Und im Vergleich zum HPTC erfordert der Aufbau keinen erhöhten Aufwand bei der Installation. Wartungsarbeiten sind auch am Trunk im Ex-Bereich selbstverständlich ohne Feuerschein durchführbar. Die Stromversorgung lässt sich außerdem problemlos redundant auslegen.

Alle Situationen im Griff

DART gibt dem Funken keine Chance, ganz gleich, an welcher Stelle innerhalb der Feldbus-Struktur die Fehlerquelle liegt. Die einwandfreie Detektion eines DART-Ereignisses erfordert einige Besonderheiten, die in die Entwicklung der FieldConnex-Feldbusinfrastruktur Komponenten berücksichtigt wurden. Das Design der DART-Stromversorgung und der darauf abgestimmten DART-Segment-Protektoren schaffen Abhilfe. Die folgenden Betrachtungen betreffen nur den durch DART geschützten Trunk. Die Begrenzung der Ausgänge nach Fisco oder Entity ist bereits durch die Feldbarrieren bekannt.
Der Feldbus verwendet ein Signal mit hoher Flankensteilheit. Dieses darf nicht mit einem DART-Ereignis verwechselt werden. Diese Verwechslung kann wegen der wesentlich geringeren Amplitude des Feldbussignals (max. 900 mV) im Vergleich zu einem DART Ereignis (typ. 10 V) über eine Unterdrückung wirkungsvoll ausgeschlossen werden. Hierzu werden Dioden in die DART-Detektoren integriert, die das Feldbussignal blockieren.
Zwei vieler möglicher Fehlerszenarien betreffen verteilte Lasten an einem Segment: Fall 1. Entsteht zum Beispiel ein Funke zwischen dem ersten und zweiten Segment-Protektor, erreicht die DART-Information zunächst den ersten Segment-Protektor und würde über sein typisch kapazitives Verhalten absorbiert. Die Quelle könnte den Funken nicht detektieren und entsprechend auslösen. Lösung: Das Entkopplungsmodul des Segment-Protektors detektiert das DART-Ereignis. Es erzeugt einen sehr kurzen und für die Quelle eindeutig auswertbaren Kurzschluss. Gleichzeitig wirft der Segment-Protektor kurzzeitig die Last - die Feldgeräte - ab, die über den integrierten Energiespeicher während des Vorgangs gespeist werden. Durch den Funken kann ein Telegramm verloren gehen, was aber durch die Wiederholmechanismen des Feldbusprotokolls aufgefangen wird. Ein Funken aufgrund einer kurzzeitigen Unterbrechung, beispielsweise das Ziehen eines Steckers, lässt Speisung und Kommunikation also unberührt.
Fall 2: Drei der vier Segment-Protektoren sind in unmittelbarer Nähe der Stromversorgung angeschlossen. Die geringe Energie der DART-Information würde sich zwischen Quelle und drei Segment-Protektoren aufteilen. Lösung: Die Detektoren sind mit entsprechender Empfindlichkeit auszulegen, dass die DART-Information sicher erkannt wird. Dieses Fehlerszenario ist allerdings eher theoretisch: Die Toleranzen der verwendeten Bauteile sorgen dafür, dass ein Entkopplungsmodul oder die Speisung zuerst anspricht.
Diese Szenarien verdeutlichen einige der notwendigen Betrachtungen für DART-Systeme mit mehreren Komponenten, sodass die Stromversorgung den Funken sicher erkennt und abschaltet, bevor der Funke zündfähig wird. Die Fachleute von Pepperl+Fuchs und der PTB kooperieren eng miteinander. Die PTB hat pa-r­allel die notwendigen Prüfverfahren entwickelt, die eine ATEX-Zulassung auch heute schon ermöglichen.

Die Zukunft beginnt jetzt

DART-Erfinder Pepperl + Fuchs ist sich sicher, dass der neuen Technologie ein Siegeszug bevorsteht. Dafür spricht vor allem die Tatsache, dass DART keine völlig neue Hardware erfordert, sondern nahtlos in jede bestehende Feldbus-Infrastruktur integriert werden kann. So lassen sich zum Beispiel alle vorhandenen Feldgeräte mit Eigensicherheit nach Entity oder FISCO uneingeschränkt weiter verwenden. Dadurch ergibt sich ein Bestandsschutz, wie er für die Prozessindustrie von entscheidender Bedeutung ist.
Pepperl + Fuchs gilt als Spezialist für Feldbus-Schnittstellenkomponenten und hat sich vor allem im Ex-Bereich einen Namen für innovative Lösungen gemacht. Das Unternehmen sieht in DART eine echte Revolution im Bereich der eigensicheren Stromversorgung. Nachdem die Technologie auf breiter Basis vorgestellt wurde, sollen schon im kommenden Jahr erste DART-Produkte für den High-Power Trunk zur Verfügung stehen.