CITplus - Lichtwellenleiter (LWL) sind angesichts ihrer physikalischen Eigenschaften geradezu prädestiniert für den Einsatz im Ex-Bereich. Denn mit ihnen lassen sich nicht nur Entfernungen von bis zu 100 km überbrücken, sondern dieses Übertragungsmedium ist auch unempfindlich gegen elektromagnetische Strahlung. Deshalb kann es auch in Anlagen mit zahlreichen Umrichtern und Motoren ohne Störungsrisiko eingesetzt werden.

Außerdem treten über LWL keine Potentialausgleichsströme auf, die gerade bei ausgedehnten Anlagen gefürchtet sind. Der wichtigste Vorteil besteht jedoch darin, dass selbst bei einer Zerstörung des Kabels keine Funken entstehen, durch die explosive Atmosphären aus Gas oder Staub entzündet werden können.

Schutzkonzepte für den Ex-Bereich
Um auszuschließen, dass nach dem Bruch eines LWL-Kabels aus den offenen Faserenden Licht austritt, was unter Umständen zu einer Explosion führt, ist in der Norm IEC/EN60079-28 festgelegt worden, wie optische Kommunikationslösungen in explosionsgefährdeten Umgebungen beschaffen sein müssen. So wird bei aktiven und passiven Komponenten in eigensicherer Schutzart (Ex op is) die Lichtenergie, die maximal austreten kann, begrenzt. Alternativ ist auch eine geschützte optische Strahlung (Ex op pr) vorgesehen, was beispielsweise durch Kabelkanäle oder Schutzrohre erreicht wird. Vorkehrungen, die die optische Strahlung bei einer Störung zuverlässig unterbrechen (Ex op sh), sind eine weitere Möglichkeit.
Die Datenkommunikation in der Prozessautomatisierung erfolgte früher vornehmlich über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, die entweder mit speziellen Kupferkabeln oder via LWL realisiert wurden. Heute werden dagegen zunehmend optische Netzwerke in Linien- oder Ringtopologien aufgebaut. Dabei werden die Daten vor allem mittels Feldbussen - in Europa hauptsächlich Profibus - oder Ethernet übertragen. Jedoch können diese beiden Protokolle je nach Anforderung an die Applikationen auch gemeinsam in einem Netzwerk zum Einsatz kommen.
Allerdings geht der Trend eindeutig in Richtung Ethernet, ohne dass dabei jedoch immer das in der Fabrikautomatisierung übliche Prinzip der strukturierten Verkabelung angewandt wird - in der Prozessautomatisierung steht nicht die Applikation, sondern der Sicherheitsaspekt im Vordergrund. Denn dieses Protokoll ermöglicht eine vertikale Integration, also die durchgängige Kommunikation von der Management- über die Leit- bis hin zur Feldebene, sowie eine Anbindung an das Internet und damit eine Steigerung der Produktivität. Denn so können etwa neue Diagnoseverfahren eingesetzt werden, die das Stillstandrisiko der Anlagen verringern. Zudem reduziert ein einheitliches Datennetz die Betriebs- und Wartungskosten. Über kurz oder lang werden voraussichtlich nur noch die dezentralen I/O-Geräte über Profibus an das Leitsystem angebunden, das wiederum per Ethernet mit den höheren Ebenen kommuniziert.

Explosionsschutz in unterschiedlichen Branchen
Oft wird der Explosionsschutz nur mit Gasen in Verbindung gebracht. Doch auch bei Staub können explosionsfähige Atmosphären entstehen. Je nachdem, wie lange diese Atmosphären vorhanden sind, wird der Ex-Bereich bei Gasen in die Zonen 0 (ständig), 1 (gelegentlich) und 2 (selten) sowie bei Stäuben entsprechend in die Zonen 20, 21 und 22 unterteilt. Für die Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften sind die Betreiber der Anlagen verantwortlich. Dazu müssen sie die Explosionsgefährdung ermitteln, was schließlich in ein Explosionsschutzdokument mündet, in dem die Zoneneinteilung des Betriebs dokumentiert ist.
Im Bergbau werden sämtliche Anlagen einer Grube nach ein und derselbe Zone eingeteilt. Mit anderen Worten: Leitungen, Stecker sowie aktive Komponenten und deren Stromversorgung werden entsprechend den jeweiligen Anforderungen des Explosionsschutzes durchgehend angepasst, um so beispielsweise für den Fall eines Schlagwetters gerüstet zu sein. Im Öl- und Gasbereich sowie in der Chemischen Industrie wird dagegen zonenbezogen verfahren. Somit kann beispielsweise ein Netzwerk im sicheren Bereich bis zu einem Kessel mit Standard-Komponenten realisiert werden, im Kessel dagegen mit zugelassenen Ex-Geräten. Die Anforderungen an diese Geräte und die daraus resultierenden Kategorien zeigt die folgende Übersicht („M" steht für Mining, das heißt Bergbau unter Tage mit Schlagwettergefahr):

Maßgeschneiderte LWL-Komponenten
Bereits 1996 hat eks Engel gemeinsam mit Bartec einen eigensicheren Profibus-Konverter für die Ex-Zone 1 entwickelt, mit dem sich je nach Ausführung Punk-zu-Punkt-Verbindungen oder Linien- bzw. Ringtopologien realisieren lassen. Die Elektronik und die für die Eigensicherheit erforderlichen Begrenzungsplatinen dieses Konverters der Gerätekategorie 1 sind in ein druckgekapseltes Modex-Gehäuse von Bartec integriert.
Seitdem sind weitere eigensichere Profibus-Konverter hinzugekommen, die auf Basis einer Plattformstrategie mittels modularen Designs speziell auf die jeweiligen Anforderungen der Kunden ausgelegt sind. Dazu gehören auch Versionen der Gerätekategorie M1, die eigens für FHF Bergbautechnik entwickelt worden sind. Die Anforderungen für den Schlagwetterschutz wurden durch den Kunden spezifiziert und technisch umgesetzt. So können diese Profibus-Konverter nach Einbau in IP54-Schutzgehäuse in schlagwettergefährdeten Bereichen installiert und mit einer entsprechenden Stromversorgung auch bei erhöhtem Grubengasgehalt noch weiter betrieben werden. Um den wirtschaftlichen Betrieb eines ausgedehnten Profibus-Netzwerks unter Tage zu ermöglichen, ist zudem ein Konverter entwickelt worden, mit dem vier Ringe angebunden werden können. Zurzeit wird an einer weiteren Version gearbeitet, mit der sich Fehler im Netzwerk in einer Leitwarte anzeigen lassen. Dazu wird dieser Konverter eine Ethernet-Schnittstelle haben, über die via Web-Oberfläche auf die Profibus-Ringe zugegriffen und so die Daten diagnostiziert und auf einem Bildschirm visualisiert werden können - bisher ließ sich dies nur vergleichsweise aufwändig über speicherprogrammierbare Steuerungen realisieren.
Mit einem optischen managed Fast Ethernet-Switch, der von FHF Bergbautechnik unter der Bezeichnung OSM01 angeboten wird, hat eks Engel erstmals auch für dieses Übertragungs-Protokoll ein eigensicheres Gerät entwickelt, das aufgrund der Zündschutzart I M1 Ex ia I für den Einsatz in grubengasgefährdeten Bereichen zugelassen ist. Mit ihm können - bei Verwendung eines IP54-Schutzgehäuses - auch unter Tage hochverfügbare Ringtopologien auf Basis des MRP-Redundanzprotokolls aufgebaut werden. Außerdem lässt sich dieser Switch ebenso wie die Profibus-Konverter für den Ex-Bereich mittels Non-Intrusive-Programmierung konfigurieren, also ohne das Gerät zu öffnen. Mit FiberView steht zudem ein Monitoring-System zur Verfügung, mit dem das Budget einer LWL-Strecke, das heißt die Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit, zuverlässig überwacht werden kann.

Resümee
Optische Profibus- und Ethernet-Netzwerke ermöglichen auch im Ex-Bereich eine sichere und hochverfügbare Datenkommunikation, mit der sich zugleich auch die Tür zu Web-Technologien öffnet. Da so die Produktivität der Anlagen deutlich gesteigert werden kann, wird es in Zukunft sicherlich eine rasante Zunahme von LWL-Installationen in explosionsgefährdeten Umgebungen geben. Dafür entwickelt eks Engel als sogenannter Original Equipment Manufacturer - kurz OEM-Hersteller - maßgeschneiderte eigensichere Konverter und Switche, die aufgrund einer Plattformstrategie schon in kleinen Serien angeboten werden können. Dabei steht immer die technische Lösung im Vordergrund oder anders formuliert: die Anforderung der Kunden.