Zusammenfassung: Dieser Artikel fasst die verschiedenen Feldbus-Anwendungen in der chemischen Industrie (PA) und der Automobilindustrie (FA) kurz zusammen. Darauf aufbauend werden die spezifischen Probleme bei der Feldbus-Anwendung in der chemischen Industrie (PA) untersucht. Abschließend wird festgestellt, dass Remote-I/O-Systeme mit Busschnittstellen, die direkt in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 1) installiert werden, in den letzten Jahren besonders gefragt waren. Schlüsselwörter: Feldbus, Redundanz, Explosionsschutz, Remote-I/O. Betrachtet man die Einstellung von Personen gegenüber Feldbussen, lassen sich diese grob in vier Gruppen einteilen: A. Anwender; B. Überzeugte Befürworter; C. Gegner; D. Unentschlossene. Im Bereich der Fabrikautomation, genauer gesagt in der Automobilindustrie, macht Gruppe A bereits über 50 % aus, Gruppe B rund 90 %, während die Gruppen C und D sehr klein sind. In diesem Bereich liegen die Vorteile von Feldbussen auf der Hand, sodass eine Diskussion über deren Einsatz überflüssig ist. Anders sieht es jedoch im Bereich der Prozessautomation aus. In der chemischen Industrie beispielsweise stellen Mitarbeiter der Kategorie A einen geringen Anteil dar; der Anteil der Mitarbeiter der Kategorie B steigt stetig; Mitarbeiter der Kategorie C machen über 20 % aus; Mitarbeiter der Kategorie D hingegen stellen weiterhin einen sehr großen Anteil dar. Die tatsächliche Nutzung von Feldbussen unterscheidet sich in diesen beiden Industriezweigen erheblich. In der Automobilindustrie liegt der Fokus auf der Wahl des richtigen Busses (Busparameter und -struktur sind entscheidend), wie beispielsweise PROFIBUS, INTERBUS oder DEVI-CENET, der Verwendung von Kupferleitungen, Glasfasern oder einer Kombination aus beidem sowie der Wahl zwischen Plug-and-Play-Verbindungen oder Klemmenblöcken. Bestehende und sich stetig weiterentwickelnde Feldbusprodukte und -lösungen können die Bedürfnisse der Anwender vollumfänglich erfüllen. Ganz anders sieht die Situation jedoch im Bereich der Prozessautomatisierung aus. Trotz zahlreicher Befürworter gibt es bisher nur für PROFIBUS PA und FOUNDATION FIELDBUS einige Testinstallationen; eine breite Einführung von Feldbussen scheint noch in weiter Ferne. Obwohl etwa 50 % der Befragten der Ansicht sind, dass der Einsatz von Feldbussen Kosten senken und die Flexibilität erhöhen kann, bleibt die Auswahl des geeigneten Feldbussystems eine zentrale Herausforderung. Wie andere Industriezweige müssen auch die Chemie-, Petrochemie- und Pharmaindustrie wirtschaftliche und kommerzielle Faktoren berücksichtigen. Bestimmte Besonderheiten erschweren die Einführung von Feldbussystemen. Diese Besonderheiten werden im Folgenden analysiert. In der chemischen Industrie gibt es zwei unterschiedliche Prozesse: die sogenannte Batch-Produktion und die sogenannte kontinuierliche Produktion. Bei beiden Prozessen kann ein unerwarteter Stillstand zu erheblichen Verlusten führen, da die Reinigung von Reaktoren und Rohrleitungen mehrere Tage dauern kann. Daher ist die Fähigkeit des Systems zum kontinuierlichen Betrieb von zentraler Bedeutung, was den starken Fokus auf ausfallsichere Konstruktionen in diesem Bereich erklärt. Mit anderen Worten: Wird ein Feldbus eingesetzt, muss die Fähigkeit des Systems zum kontinuierlichen Betrieb mindestens so hoch sein wie die einer herkömmlichen Steuerungsstruktur. Bei einer herkömmlichen Steuerungsstruktur beeinträchtigt ein Ausfall an einem Punkt nur den Betrieb eines oder weniger verbundener Punkte, ohne das gesamte Steuerungssystem zu beeinflussen. Dieses Punkt-zu-Punkt-Verbindungskonzept (Verbindung von nur zwei Punkten an einer einzigen Leitung) widerspricht jedoch dem Feldbuskonzept, möglichst viele Geräte in Reihe an ein einziges Buskabel anzuschließen. Um dies zu erreichen, muss das Feldbussystem redundant ausgelegt sein, was jedoch das Kosteneinsparungspotenzial verringert. Gleichzeitig entsteht ein weiteres wichtiges Problem: Die Notwendigkeit, dass jedes Feldgerät über zwei Busschnittstellen verfügt oder eine Ringbusstruktur zur Verbindung der Feldgeräte verwendet wird, ist eindeutig unwirtschaftlich. Werden Feldgeräte über eine bestimmte Anzahl kleiner Remote-I/Os verbunden, lässt sich die Redundanz der Busleitungen durch die Konfiguration zweier Gateways an diesen Remote-I/Os realisieren. Der größte Vorteil liegt in der signifikanten Reduzierung der Verbindungskomponenten zwischen Feldgeräten und Bus, wodurch die Verdrahtungskosten erheblich gesenkt werden. Ein weiteres, komplexeres Problem ist der Explosionsschutz im Feld. Konventionelle Explosionsschutzmethoden sind einfach, wie z. B. eigensichere Verfahren (EX i), die Funkenbildung durch Energiebegrenzung verhindern, sowie explosionsgeschützte (EX d) und Vergussverfahren (EX m), die spezielle Gehäuse zum Schutz verwenden. Diese Methoden stehen jedoch im Widerspruch zu den Grundprinzipien des Feldbussystems. Bei der Energiebegrenzung (mittels eigensicherer Verfahren) reduziert sich die Anzahl der an jeden Buszweig anschließbaren Feldgeräte erheblich. Beispielsweise ist die Anzahl der Feldgeräte pro PROFIBUS PA- oder FOUNDATION FIELDBUS-Buszweig auf 6–10 begrenzt, während ein einzelner PROFIBUS DP-Zweig ohne Energiebeschränkungen über 100 Feldgeräte (über Repeater) anschließen könnte. Durch den Einsatz explosionsgeschützter (EX d) oder vergossener (EX m) Verfahren (oft in Kombination mit erhöhten Sicherheitsmaßnahmen) gibt es praktisch keine Beschränkungen hinsichtlich der in den explosionsgefährdeten Bereich eintretenden Energie. Der Nachteil dieser beiden Verfahren besteht jedoch darin, dass die Stromversorgung unterbrochen werden muss, bevor Feldgeräte gewartet oder ausgetauscht werden können. Für Feldbussysteme sollte der Hot-Swap von Geräten jedoch eine Mindestanforderung sein. Alternativ kann eine Systemlösung gewählt werden, bei der der Bus eigensicher ist und die Feldgeräte explosionsgeschützt (EX d) oder vergossen (EX m) sind. Dies bedeutet, dass jedes Feldgerät eine unabhängige Stromversorgung nutzt, die keine Busstromversorgung benötigt, und die über den Bus übertragene Signalenergie eigensichere Werte erreicht. In diesem Fall muss neben dem Kommunikationskabel auch ein Stromversorgungskabel verlegt werden. Die Stromversorgung der einzelnen Feldgeräte stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung dar, da die meisten Geräte derzeit mit 24 V Gleichstrom betrieben werden und die Übertragung von 24 V Gleichstrom über größere Entfernungen problematisch ist. Bei Verwendung von 220 V Wechselstrom müssten die Geräte modifiziert werden, und die Einführung von 220 V Wechselstrom in explosionsgefährdete Bereiche birgt selbst ein erhebliches Sicherheitsrisiko. Gibt es eine bessere Lösung? Im Vergleich dazu erscheint Remote-I/O die beste Wahl zu sein: Es verwendet herkömmliche Installations- und Anschlussmethoden für Feldgeräte, nutzt ein einziges Leistungsmodul (bei Bedarf mit Redundanz) zur Versorgung zahlreicher Feldgeräte, ermöglicht den Austausch von Feldgeräten im laufenden Betrieb (Hot-Swap) und ist wirtschaftlicher. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Remote-I/O-Lösung mehr Vorteile als die aktuelle Feldbuslösung bietet. Remote-I/O ist jedoch nicht als Ersatz für den Feldbus gedacht; es wird über den Feldbus mit der SPS oder dem Prozessleitsystem (DCS) verbunden. Der Hauptzweck von Remote-I/O ist zweifach: Erstens löst es das Problem der fehlenden einheitlichen Busschnittstelle für den Anschluss von Feldgeräten an den Bus, da die Konfiguration einer Busschnittstelle für jedes Feldgerät (einschließlich derer, die Schaltsignale senden) derzeit weder wirtschaftlich noch praktikabel ist. Zweitens adressiert es explosionsgeschützte Anforderungen im Feld und ermöglicht sowohl Eigensicherheit als auch Hot-Swap-Fähigkeit. Weitere Analysen zeigen, dass Remote-I/O zwar das Problem der fehlenden einheitlichen Busschnittstelle für den Anschluss von Feldgeräten an den Bus löst, aber wenn es direkt in explosionsgefährdeten Bereichen installiert werden kann – d. h. nicht nur als zugehöriges Gerät eines eigensicheren Geräts fungiert (und daher in einem sicheren Bereich platziert werden muss), sondern auch mithilfe verschiedener explosionsgeschützter Methoden direkt in explosionsgefährdeten Bereichen installiert werden kann –, dann kann der hohe Verkabelungsaufwand zwischen explosionsgefährdeten und sicheren Bereichen problemlos vermieden werden. Daher können wir davon ausgehen, dass diese Art von Remote-I/O-System mit einer Busschnittstelle, die direkt in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 1) installiert werden kann, in den kommenden Jahren die wichtigste Lösung sein wird.