Dieser Artikel wurde von Herrn Di Liming, einem leitenden Ingenieur am Institut für Regelungstechnik der Pädagogischen Universität Nanjing, verfasst. Schlüsselwörter: Foundation Fieldbus, Eigensicherheit, explosionsgefährdete Bereiche, sichere Bereiche. Foundation Fieldbus ist ein volldigitales, serielles, bidirektionales Kommunikationsprotokoll zur Vernetzung von Feldgeräten wie Messumformern, Reglern und Aktoren. Es dient als lokales Netzwerk (LAN) zwischen Prozessleittechnik und ermöglicht so eine dezentrale Prozesssteuerung innerhalb des Netzwerks. Im Vergleich zu anderen Bustypen ist Foundation Fieldbus speziell auf die funktionalen, umweltbedingten und technischen Anforderungen von Automatisierungssystemen, insbesondere von Prozessautomatisierungssystemen, zugeschnitten. Es bietet umfassende Schutzmechanismen für anspruchsvolle Betriebsbedingungen, Eigensicherheit, explosionsgefährdete Bereiche, variable Prozesse und die Bus-Stromversorgung. Durch die Verwendung standardisierter Funktionsbausteine ​​und der DDL-Gerätebeschreibungstechnologie gewährleistet es zudem eine hervorragende Interoperabilität und Austauschbarkeit zwischen Produkten verschiedener Hersteller. Daher eignet sich ein Foundation Fieldbus-System hervorragend für die automatische Steuerung chemischer Prozesse. I. Eigensicherheitsprinzip von Foundation Fieldbus. Die Eigensicherheitstechnologie (IS) gewährleistet die Sicherheit elektrischer Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen. Bereiche mit Explosionsgefahr werden allgemein als explosionsgefährdete Bereiche bezeichnet und enthalten typischerweise brennbare und explosive Gase, Flüssigkeiten und Stäube. Um die Sicherheit von Mitarbeitern und Mitarbeitern zu gewährleisten, müssen Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, um die Entzündung dieser Umgebungen mit brennbaren Stoffen zu verhindern. Gängige Präventivmaßnahmen umfassen das Befüllen mit Sand und das Verkapseln elektrischer Geräte mit Epoxidharz. Die Eigensicherheitstechnologie verfolgt einen anderen Ansatz. Der Kontakt zwischen eigensicheren elektrischen Geräten und brennbaren Gasen stellt keine Gefahr dar, da das gesamte System (einschließlich eigensicherer Geräte für explosionsgefährdete Bereiche und zugehöriger Geräte für direkt angeschlossene sichere Bereiche) so ausgelegt ist, dass selbst im Falle einer Geräte- oder Kabelstörung die entstehenden elektrischen Funken oder heißen Oberflächen nicht ausreichen, um die Geräte zu entzünden. Diese Technologie ermöglicht Online-Messungen (mit zugelassenen Messgeräten) und Anpassungen im laufenden Betrieb. Die Geräte können im laufenden Betrieb demontiert oder ausgetauscht werden. Eigensichere Technologie eignet sich jedoch nur für Niederspannungs- und Niedrigleistungsgeräte (maximal wenige Ohm). Sie ist eine bewährte Methode für die Messtechnik. Im Vergleich zu anderen Technologien ist eigensichere Technologie international hochgradig standardisiert, sodass dieselben Geräte und Systeme in den meisten Teilen der Welt anerkannt und eingesetzt werden können. Derzeit existieren zwei Klassifizierungsmethoden für explosionsgefährdete Bereiche: die in der Norm IEC 97 spezifizierte „Zone“ und die in den USA und Kanada verwendete „Division“. Die Zertifizierung verschiedener Arten von explosionsgeschützten elektrischen Geräten für explosionsgefährdete Bereiche hat eine lange Tradition. Für Feldbus-Technologiegeräte ist es jedoch erforderlich, dass elektrische Geräte verschiedener Hersteller mit einer kompatiblen Methode zertifiziert werden, damit sie alle an einen gemeinsamen Bus angeschlossen werden können. Die Foundation hat in ihrer Spezifikation für die 31,25-kb/s-Physical-Layer einige empfohlene Zertifizierungsparameter für Kommunikationsgeräte und Hilfseinheiten festgelegt (siehe Tabelle 1). Bei Einhaltung dieser Parameter können elektrische Geräte verschiedener Hersteller an den Feldbus der Foundation angeschlossen werden. Diese technische Spezifikation basiert auf den Abschnitten 11 und 22 (Entwurf) der IEC 61158-2, der IEC/ISA-Feldbus-Physikalischen Schicht von 1993. Sie definiert die Spezifikationen für acht Arten von Feldbus-Kommunikationsgeräten, von denen vier an eigensichere Feldbusse in explosionsgefährdeten Bereichen angeschlossen werden können. Die spezifischen Typen und ihre Bezeichnungen lauten: Typ 111 – Standard-Leistungssignal, busgespeist, eigensicher; Typ 112 – Standard-Leistungssignal, unabhängig gespeist, eigensicher; Typ 121 – Niedrigleistungssignal, busgespeist, eigensicher; Typ 122 – Niedrigleistungssignal, unabhängig gespeist, eigensicher. Ein wesentlicher Unterschied zu anderen Gerätetypen besteht darin, dass ihre Media Add-on Units (MAUs) stets als Stromabsorber spezifiziert sind und während des Betriebs niemals Strom an den Bus abgeben. Da diese Geräte beim Empfangen und Senden von Signalen keine elektrische Energie in den Feldbus einspeisen, eignen sie sich daher ideal für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. An einen eigensicheren Feldbus können beliebige Kombinationen von Geräten der Typen 111, 112, 121 und 122 angeschlossen werden. Die Foundation-Spezifikation definiert einen Feldbus, der sowohl mit Geräten mit Standard- und Niedrigleistungssignalen als auch mit beliebigen Kombinationen dieser vier busgespeisten und eigenständig versorgten Gerätetypen betrieben werden kann. Geräte, die gemäß Spezifikation für explosionsgefährdete Bereiche zugelassen sind, können auch an den nicht eigensicheren Bereich des Foundation-Feldbusses oder an einen Foundation-Bus in einem sicheren Bereich angeschlossen werden. Die einzige Voraussetzung ist, dass der Bus selbst mit Strom versorgt werden kann (auch für eigenständig versorgte Geräte der Typen 112 und 122). (1) Busgespeiste Geräte (Standards 111 und 121): Die einzige Stromquelle für diese Geräte ist der Feldbus selbst. Ein typisches eigensicheres Feldbussystem mit einem busgespeisten Gerät ist in Abbildung 1 dargestellt. Die MAU (Multi-Aktivierungs-Einheit) übernimmt zwei Funktionen: die Regelung der vom Feldbus an das Gerät gelieferten Leistung und die Signalversorgung des Busses. (2) Unabhängig mit Strom versorgte Geräte (Standards 112 und 122): Diese Geräte verfügen neben der Stromversorgung durch den Feldbus über eine oder mehrere weitere Stromquellen. Beispielsweise benötigt die Anwendungsschaltung einen Analysator, der oberhalb des eigensicheren Feldbusses mit Strom versorgt wird, oder ein batteriebetriebenes Handgerät. Diese Geräte und ihre Stromquellen sollten mit weiteren explosionsgeschützten Merkmalen ausgestattet sein, ihre Buskommunikationseinheiten müssen jedoch weiterhin an den eigensicheren Feldbus angeschlossen werden. Ein Beispiel für ein solches System ist in Abbildung 2 dargestellt. In diesem Fall muss die MAU im Gerät lediglich die Feldbuskommunikationsschaltung selbst mit Strom versorgen. Dies verdeutlicht den wesentlichen Vorteil der Verwendung von Geräten mit niedrigem Stromverbrauch gemäß Signal 122, da der Stromverbrauch des Feldbusses reduziert wird. Derselbe Vorteil gilt auch für die Verwendung von Geräten mit Standardstromversorgung gemäß Signal 112. (3) Feldbus-Abschlusswiderstände: Für jedes Segment eines Foundation-Feldbusses werden zwei Abschlusswiderstände benötigt. Bei eigensicheren Feldbussen muss mindestens ein Abschlusswiderstand pro Feldbus in einem explosionsgefährdeten Bereich installiert werden (siehe Abbildung 2). Ein Abschlusswiderstand ist ein Anpassungsbauteil, das am oder nahe dem Ende einer Übertragungsleitung eingesetzt wird und die gleiche charakteristische Impedanz wie die Übertragungsleitung aufweist. Dadurch werden Signalverzerrungen durch Reflexionen minimiert, die zu Datenfehlern führen können. Unterschiedliche an den Bus angeschlossene Geräte können das Einschwingverhalten des Systems beeinträchtigen. Daher dürfen in Foundation-Feldbussystemen keine Busabschlusswiderstände mit anderen Impedanzeigenschaften verwendet werden. Zugehörige Geräte in drei sicheren Bereichen: Die Stromversorgung für explosionsgefährdete Bereiche von Foundation-Feldbussen erfolgt ausschließlich über ein Sicherheitsnetzteil, das in einem sicheren Bereich installiert ist. Alle Geräte in Sicherheitsbereichen, die direkt mit der Verkabelung oder den Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen verbunden sind, gehören zum eigensicheren System. Diese zugehörigen Geräte können auch in einem eigensicheren Trennschalter integriert werden. Die eigensichere Stromversorgung des Feldbusses kann auch durch eine Kombination aus einem Standard-Feldbusnetzteil und einer eigensicheren Sicherheitsbarriere konfiguriert werden. Tabelle 2 listet die empfohlenen eigensicheren Parameter für zugehörige Geräte gemäß der Spezifikation der physikalischen Schicht von Fieldbus Foundation auf. (1) Feldbus-Netzteil: Die Spezifikation der physikalischen Schicht von Fieldbus Foundation sieht folgende Ausführungen von Netzteilen vor: Das eigensichere Netzteil vom Typ 131 ist für eigensichere explosionsgeschützte Bereiche ausgelegt, wobei die Ausgangsspannung von der Leistung des explosionsgeschützten Bereichs abhängt. Das nicht eigensichere Netzteil vom Typ 132 wird nicht für eigensichere explosionsgeschützte Bereiche verwendet und hat eine maximale Ausgangsspannung von 32 V DC. Das eigensichere Netzteil vom Typ 133 entspricht den empfohlenen eigensicheren Parametern. Die Impedanz des im Feldbus verwendeten Netzteils muss an das Netzwerk angepasst sein. Unabhängig davon, ob es sich um ein internes oder externes Netzteil handelt, wird ein Widerstands-/Induktivitätsnetzwerk verwendet, das die kapazitive Reaktanz des Abschlusswiderstands kompensiert, um einen flachen Frequenzgang über einen weiten Frequenzbereich zu gewährleisten. (2) Eigensichere Barriere Die in der Fieldbus Foundation Physical Layer Specification spezifizierte eigensichere Barriere eignet sich für die Installation in explosionsgefährdeten Bereichen. Eine typische eigensichere Barriere besteht aus einem Netzwerk parallelgeschalteter Zenerdioden, in Reihe geschalteten Strombegrenzungswiderständen und Sicherungen. Sie leitet Überspannungen, Stoßströme und Überlastströme sicher gegen die Systemerde ab, bevor es zu einer Entzündung der explosionsgefährdeten Umgebung kommt (siehe Abbildung 3). Daher ist es beim Einsatz von Schutzbarrieren zum Schutz von Feldbussen in explosionsgefährdeten Bereichen unerlässlich, zunächst eine geeignete und hochsichere Verbindung zwischen Schutzbarriere und Erde sicherzustellen. Die Installationsvorschriften der meisten Länder fordern, dass der Gleichstromwiderstand des Erdungskabels zwischen dem Erdungsanschluss der Schutzbarriere und der Systemerde (üblicherweise mit dem Neutralleiter des Stromverteilungssystems verbunden) unter 1 Ω liegt. Einige Hersteller von Schutzbarrieren integrieren Feldbus-Abschlusswiderstände in eigensichere Schutzbarrieren, um den Anwenderkomfort zu erhöhen. Daher sollten Anwender bei der Auswahl solcher Geräte darauf achten. (3) Eigensicherer Stromtrenner: Der Foundation Physical Layer Standard beinhaltet einen eigensicheren Stromtrenner. Im Vergleich zu eigensicheren Barrieren gewährleistet dieser Trenner Sicherheit durch hochzuverlässige Isolationsmaßnahmen, die die Übertragung von Stoß- oder Überlastströmen aus sicheren Bereichen in explosionsgefährdete Bereiche verhindern. Die Übertragung elektrischer Energie und Signale im Trenner erfolgt über speziell entwickelte Bauteile mit zuverlässigen Mindestabständen und Isolationseigenschaften. Ähnlich wie bei eigensicheren Barrieren sind auch im Trenner Spannungs- und Strombegrenzungsschaltungen vorhanden, bevor das Signal in explosionsgefährdete Bereiche übertragen wird. Diese Schaltung bestimmt die eigensicheren Ausgangseigenschaften des Trenners (siehe Abbildung 4). Da der Trenner im Betrieb den Stoßstrom nicht gegen Erde ableitet, ist kein Schutzleiter wie bei einer eigensicheren Barriere mehr erforderlich. Der eigensichere Stromtrenner benötigt jedoch weiterhin einen geeigneten Systemerdungsanschluss für die Kabelschirmung und ist nur für die Installation in sicheren Bereichen geeignet. (4) Vergleich von eigensicheren Barrieren und eigensicheren Trennschaltern: Im Vergleich zu eigensicheren Barrieren besteht der wesentliche Vorteil von Trennschaltern darin, dass ihre explosionsgeschützten Stromkreise (Stromkreise auf der eigensicheren Seite) vollständig von Erde isoliert sind. Dadurch wird ein symmetrischer Betrieb des Feldbussystems gewährleistet. Darüber hinaus können die im Trennschalter verwendeten aktiven Schaltungen dazu beitragen, dass der Trennschalter an jedem Feldbus bei der Signalfrequenz eine geringe Impedanz aufweist. Da die Bussegmente auf beiden Seiten des Trennschalters als durchgehender Bus betrachtet werden können, verzichten Hersteller, die diese Technologie verwenden, möglicherweise auf die Integration eines Busabschlusswiderstands in den eigensicheren Stromtrennschalter. Anwender sollten daher vor der Verwendung prüfen, ob das Produkt über einen solchen Abschlusswiderstand verfügt. (5) Technische Anforderungen an andere am Feldbus angeschlossene Geräte für explosionsgeschützte Bereiche: Durch die Verwendung zertifizierter eigensicherer Barrieren und Stromtrennschalter ist die Verwendung von Geräten für explosionsgeschützte Bereiche, die an die Seite des explosionsgeschützten Bereichs angeschlossen sind, nahezu uneingeschränkt möglich. Das einzige entscheidende Prinzip, das unbedingt beachtet werden muss, ist, dass die Versorgungsspannung bzw. die Potenzialspannung aller an den eigensicheren Feldbus angeschlossenen Geräte 250 V_eff (Effektivwert) AC/DC nicht überschreiten darf. Bei potenzieller Hochspannungsgefahr sollte generell ein Überspannungsschutzgerät zwischen dem Gerät mit Hochspannungsschaltung und dem zugehörigen eigensicheren Feldbusgerät installiert werden. IV. Sicherheit eigensicherer Feldbussysteme der Foundation: Die Anforderungen an die Zertifizierung von Feldbussystemen durch Dritte vor der Installation variieren von Land zu Land. Das von Nordamerika vorgeschlagene „holistische Konzept“ liefert Sicherheitsparameter für die Versorgungs- und Empfangsgeräte in einem eigensicheren System. Anwender können diese Parameter nutzen, um die Eignung und Sicherheit der Systemkonfiguration zu analysieren. Dies eignet sich hervorragend zur Analyse und Zertifizierung von Feldbussystemen verschiedener Hersteller, die den Spezifikationen der Foundation für die physikalische Schicht entsprechen. Diese Arbeiten werden von einer autorisierten Zertifizierungsstelle für eigensichere Systeme auf Basis der von der Foundation empfohlenen Parameter durchgeführt. V. Systemkabel: Unterbrechungen oder Kurzschlüsse in Feldkabeln an explosionsgefährdeten Stellen können zu Energiefreisetzungen führen. Die maximal zulässigen Kapazitäts- und Induktivitätswerte für eigensichere Feldbuskabel sind in der Tabelle der Installationsparameter der Systemausrüstung angegeben. Die maximal zulässige Kabellänge ist zu berechnen. Dazu wird unter einer bestimmten Umgebung (spezifizierte Gasgruppe) der maximal zulässige Kapazitätswert des Systemkabels berechnet und durch den gemessenen oder geschätzten Kapazitätswert pro Längeneinheit des verwendeten Kabels dividiert. Bezüglich der Installationsvorgaben fordern die meisten Länder, dass eigensichere Leitungen in Geräteschränken und Racks von anderen Leitungen getrennt werden, beispielsweise durch die Verwendung separater Verteilerdosen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Eigensicherheitseigenschaften von Feldbussystemen deutlich von denen herkömmlicher 4-20-mA-DCS-Systeme unterscheiden. Daher müssen die Planung, die Geräteauswahl und die Installation von Feldbussystemen strengen Zertifizierungsverfahren unterzogen werden, um die Systemsicherheit und Anpassungsfähigkeit zu gewährleisten und die Anforderungen der automatischen Steuerung in verschiedenen Feldumgebungen zu erfüllen. Das Foundation-Feldbus-Steuerungssystem ist mittlerweile relativ ausgereift und wird erfolgreich in der Ölraffinerie- und Chemieindustrie eingesetzt. Viele Hersteller implementieren dieses System derzeit ebenfalls und markieren damit eine neue Phase in der Anwendung der Foundation-Feldbustechnologie in meinem Land. (Quelle: *World Instrumentation and Automation*)