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Kunststoffarmaturen in der Feldbusanbindung

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29.11.2009 Moderne Industrieanlagen mit herkömmlicher Ventilsteuerung erfordern einen immer größeren Installations- und Wartungsaufwand. Feldbussysteme sind dabei aus der Industrieautomation nicht mehr wegzudenken – sie sind international gültiger Standard. Dennoch wird die Anbindung von einfachen Sensoren und Aktoren weiterhin rege und kontrovers diskutiert. Mit AS-Interface (Actuator Sensor Interface) besteht die einfache und kostengünstige Möglichkeit der Integration in ein beliebiges übergeordnetes Feldbussystem.

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Entscheider-Facts Für Anwender


  • AS-i ist die kostengünstige Alternative zum Kabelbaum und die Voraussetzung für Feldbussysteme.
  • Bei einfachen Anwendungen ermöglicht das AS-i System, Sensoren und Aktoren zu geringen Kosten in die Feldbusebene einzubinden.
  • Von den Vorteilen profitieren alle Seiten: Der Anlagenbetreiber geniesst die hohe Flexibilität, weiß die gestiegene Betriebssicherheit ganz sicher zu schätzen und profitiert von niedrigen „Total Cost of Ownership“ (TCO).
  • Die Arbeit des Monteurs wird durch einen reduzierten Installationsaufwand maßgeblich erleichtert und der Anlagenplaner erfährt durch das AS-i eine deutlich weniger aufwändige Projektierung.

Der Nutzen eines AS-i-Systems hängt von der konkreten Anwendung ab. Als Faustregel kann dabei gelten, dass sich der Einsatz von AS-i ab etwa zwölf Sensoren oder Aktoren lohnt. Das System überzeugt vor allem durch eine kurze Montagezeit, hohe Kostenersparnis, hohe Platzersparnis im Schaltschrank, niedrige Kabelkosten, zügige Inbetriebnahme und deutlich weniger Verdrahtungsfehler. Im Hinblick auf das Engineering eröffnet sich eine Anzahl erweiterter Integrationsmöglichkeiten für Feldgeräte, wie Ventile, Stellantriebe mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen, sowie bei Inbetriebnahme, Anlagenerweiterung, Wartung und Service. Die Interoperabilität und die Austauschbarkeit von Geräten verschiedener Hersteller wird ebenso ermöglicht.

Im Gegensatz zum herkömmlichen, mehradrigen Kabelaufbau wird durch AS-i der Verdrahtungsaufwand drastisch reduziert. Eine Parallelverdrahtung zwischen einzelnen Aktoren und Sensoren mit direktem Anschluss entfällt. Kostenersparnisse von bis zu 50% je nach Anwendungsprofil gegenüber konventioneller Verdrahtung inklusive struktureller Baugruppenarchitektur auf der Hardware-Ebene können das Ergebnis sein.
Im praktischen Beispiel einer Automatisierung von 32 Kugelhähnen konnte sich die Anbindung via AS-i gegenüber einer speicherprogrammierbaren Steuerung mit einem Preisvorteil von rund 13000 Euro durchsetzen; das entsprach in etwa einem 50%-igen Kostenvorteil. Für einfache Regelungsaufgaben bietet AS-i eine anforderungsgerechte und preislich attraktivere Leistungsbilanz.

Antriebe von Kunststoffarmaturen

Der Automatisierungsgrad der Anwendungen steigt, Antriebe haben einen festen und hohen Stellenwert in der Industrie. Jede Anwendung hat dabei ihre eigenen Spezifikationen, und entsprechend für alle gibt es den passenden Antrieb. Zwar dominieren noch weitestgehend Metallarmaturen, aber Kunststoffarmaturen werden im kontinuierlich steigenden Maß eingesetzt. Am Beispiel von speziell auf Kunststoffarmaturen zugeschnittenen Antrieben wird klar, dass man auch hier von den Vorzügen der Feldbustechnik profitieren kann. Über AS-Interface wird deren Integration problemlos ermöglicht.

Der Vorteil der angetriebenen Kunststoffarmatur liegt zum einen in der Abstimmung der Drehmomente auf die Armatur und zum anderen bei dem mit Glasfaser verstärkten PP-Gehäuse, das robust gegenüber äußeren Umwelteinflüssen ist. Alle Antriebe können mit entsprechendem Zubehör erweitert werden. Zudem kann man sie durch das mit ISO 5211 konforme Flanschbild auch auf Fremdarmaturen montieren. Der EA42, ein elektrischer Drehantrieb mit Drehmoment bis 250Nm, komplettiert die Antriebsbaureihe.

Feldbusanbindung mit AS-i

Feldbussysteme sind inzwischen etabliert. Der Wunsch, die angetriebenen Armaturen an ein Bussystem anzuschliessen, steigt. Bisher gab es aber nur die Möglichkeit, einen teuren Antrieb zu beziehen, der über sämtliche Eigenschaften verfügt – und diese sind für einen einfachen Auf-Zu-Betrieb nicht nötig. Alternativ gab es die Rückmeldung über induktive Endschalter. Die Rückmeldung wurde auf eine SPS geführt und von dort in das Bussystem integriert. Für einzelne Antriebe mag diese Lösung praktikabel sein, aber mit wachsenden Stückzahlen steigen auch die Kosten für die Verdrahtung der I/O-Karten und Wartung. Eine relativ einfache und doch intelligente Lösung für das Problem ist das AS-Interface.

AS-Interface, kurz AS-i genannt, steht für Actuator Sensor Interface, also Antrieb-Sensor-Schnittstelle. Dieser Standard wurde speziell für die Feldbusanbindung von Aktoren und Sensoren entwickelt. Er bildet damit die unterste Steuerungsebene ab. AS-i dient nicht als Ersatz eines Feldbussystems, sondern als Ergänzung. Dieser Feldbus ersetzt die konventionelle Parallelverdrahtung und eignet sich für einfache Auf-ZuAnwendungen. In der Verdrahtungsstruktur gibt es keine Einschränkungen. AS-i ist ein Single-Master-System. Das heißt: Es gibt nur einen Master pro System, der die konfigurierten Slaves zyklisch abfragt und dabei Ein- und Ausgangsdaten austauscht. Über Gateways ist es möglich, das AS-i-Netz in der nächst höheren Steuerungsebene, zum Beispiel Profibus DP oder Foundation Fieldbus, als Slave einzubinden. So ist man flexibel bei der Wahl des Feldbussystems und zudem international gerüstet.

Fakten zum AS-i-System

Derzeit sind mehrere AS-i Spezifikationen im Umlauf. Auf dem aktuellen Stand ist die Spezifikation 3.0 (September 2004). Vorgänger waren die Spezifikation 2.0 mit 31 Slaves pro Master und die Spezifikation 2.1 mit 62 Slaves pro Master. Allgemeine Systemdaten:
„MasterSlave“-Prinzip SingleMasterjederSlave mit fester AdresseZykluszeit bei 31 Slaves max. 5ms

  • keine Beschränkung der Netzwerkstruktur
  • Energie und Daten über ein zweiadriges Kabel
  • störsicher
  • mediumungeschirmtes Kabel 2×1.5mm2
  • bis 8A pro Busstrang
  • Normspannung 24 V
  • vier Eingänge, vier Ausgänge für jeden Slave
  • pro Slave und Zyklus Übertragung von 4Bit
  • mit IP67 für Schaltschrankeinsatz und Industrieumgebung geeignet
  • Durchdringungstechnik
  • Kabellänge 100m, mit Repeater bis zu 300m
  • elektronische Slave-Adressierung
  • einfache Installation
  • hochwirksame Fehlersicherung

 

Im Vordergrund muss immer die hohe Betriebssicherheit stehen, die AS-i auch in industrieller Umgebung gewährleistet. Generell zeichnet sich das System durch seine Einfachheit aus, die sich kostenrelevant gerade in Installation, Wartung, Inbetriebnahme und Service niederschlägt. Niedrige Anschlusskosten pro Teilnehmer, die Fähigkeit zur Erweiterung und die Interoperabilität mit Fremdgeräten runden als weitere vorteilhafte Features das positive Bild ab. Hinzu kommt, dass die Gateways zu sämtlichen Feldbussystemen bereits am Markt verfügbar sind.

Ein System, so auch das AS-i, besteht aus grundlegenden Komponenten, ohne deren perfektes Zusammenspiel keine Vorteile zu erzielen wären. Im Einzelnen sind dies:

  • AS-i-Slave: Der Slave kann in den Sensor oder Aktuator integriert oder vorgeschaltet sein. Die Normspannung beträgt 24V DC. Der Slave darf eine maximale Stromaufnahme von 100mA haben. Bei mehr als 100mA ist eine Hilfsspannungsversorgung erforderlich.
  • AS-i-Master: Ein AS-i-Master kann selbstständig ein AS-i-Netz steuern und verwalten oder als Einschubkarte in eine SPS integriert werden, von wo aus er angesprochen wird.
  • AS-i-Gateway: Ähnlich wie ein AS-i-Master funktioniert ein AS-i-Gateway. Es fungiert jedoch zusätzlich noch als Anbindung an übergeordnete Feldbussysteme. So gibt es AS-i-Gateways zu Profibus, Foundation Fieldbus und viele mehr.
  • AS-i-Netzteil: Das AS-i-Netzteil sorgt dafür, dass die 24V DC stets zur Verfügung stehen. Pro Busstrang sind 8A zulässig. Beim AS-i-Bus werden Daten und Energie über die gleiche Leitung übertragen. Die Trennung erfolgt erst wieder beim Slave.
  • AS-i-Programmiergerät: Alle AS-i-Slaves werden mit der Adresse „0“ ausgeliefert. Für die Zuweisung einer neuen gültigen Adresse benötigt man ein Programmiergerät, mit dem man in der Regel auch einfache Funktionstests durchführen kann.
  • AS-i-Übertragungsmedium: Das gelbe Profilkabel vom AS-i-Bus schließt Verdrahtungsfehler nahezu aus, da das Kontaktieren über die Durchdringungstechnik erfolgt und damit aufwändige Montageschritte, wie etwa das Abisolieren und das Anbringen von Aderendhülsen, entfallen. Muss der Slave später an anderer Stelle angebracht werden, ist dies auch kein Problem. Das Kabel ist „selbstheilend“ und nach der Entfernung der Verbindung wieder IP67. Alternativ zum Profilkabel kann auch das Rundkabel gewählt werden.

 

Der Nutzen eines AS-i-Bussystems hängt stark von der konkreten Anwendung ab. Als Faustregel kann gelten, dass sich der Einsatz ab zirka zwölf Sensoren bzw. Aktoren rechnet. Sind es weniger, ist die konventionelle Verdrahtung günstiger. Die Vorteile eines AS-i-Bussystems sind vor allem die kurze Montagezeit und die Kostenersparnis infolge von niedrigen Kabelkosten, Platzersparnis im Schaltschrank, weniger Verdrahtungsfehlern, fehlenden Kabelendhülsen bzw. nicht notwendigem Abisolieren, schneller Verdrahtung sowie zügiger Inbetriebnahme.

Zubehör für die reibungsloseIntegration ins AS-i-Netz

Die Variantenvielfalt der pneumatischen Hubantriebe reicht von einer „Low cost“-Variante (Diastar Eco mit maximalem Mediumsdruck von 6 bar einseitig und Federkraft schließend) über einen mittleren Antrieb (Typ 028 mit 10 bar einseitig und Federkraft schließend) bis zum „High end“-Produkt (Typ 025 mit 10 bar beidseitig und Federkraft schließend/öffnend und doppelt wirkend).

Der AS-Interface-Aufsatz Topmatic kommt auf den pneumatischen Hubantrieben Diastar zum Einsatz. Hierbei sind die Vorsteuerventile bereits integriert. Die Installation ist einfach: Der Steuerkopf wird über die Zubehörschnittstelle montiert, die Endlagen werden justiert und die Anschlüsse zuletzt noch verschlaucht.
Die pneumatischen Drehantriebe aus Vollkunststoff funktionieren nach dem Zahnstangenprinzip. Dabei liegt der Vorteil in einer linearen Drehmomentkennlinie. Die Antriebe PA11 und der PA12 stehen in den Ausführungen „Federkraft schließend/öffnend“ und „doppelt wirkend“ zur verfügung. Die Namur-Zubehörschnittstelle ist bereits in die Stellungsanzeige integriert und ermöglicht eine problemlose Montage. In der Kombination mit dem Kugelhahn 546 gibt es eine Vollkunststofflösung mit Handbetätigung. Beide Antriebe sind auch als Variante mit Hubbegrenzung erhältlich.
Relativ neu ist die kompakte Möglichkeit, die pneumatischen Drehantriebe an das AS-i-Netz anzubinden. Der Drehantrieb ASVC 2300 ist eine Vollkunststoffvariante, die über die in der Stellungsanzeige integrierte Namur-Schnittstelle aufgebaut wird.
Die elektrischen Drehantriebe EA11/21/31/42 decken einen Drehmomentbereich von 10 bis 250Nm ab. Aufgrund der modularen Auslegung kann der Antrieb an jede Anforderung angepasst werden. Die Basisausführung beinhaltet ein Weitbereichsnetzteil sowie CE- und CB-Zertifizierung. Ab EA21 steht eine Betriebsbereitmeldung über zwei potenzialfreie Kontakte zur Verfügung, mit denen jederzeit der Antriebszustand überprüft werden kann. Weiteres Zubehör lässt sich beliebig ergänzen. Die Palette reicht dabei von einfachen mechanischen Endschaltern über induktive Endschalter. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, den Antrieb in einer dritten Position anzuhalten, was beispielsweise bei einem Drei-Weg-Kugelhahn von Bedeutung ist. 4…20 mA analoge Stellungsrückmeldungen sind über einen Stellungsregler oder separat möglich. Überwachungsmöglichkeiten wie beispielsweise vom Motorstrom runden das Paket ab.
Der Controller ASEV2400 dient der Anbindung der elektrischen Drehantriebe an das AS-i-Netz. Der Steuerkopf wird anstelle des Kabelsteckers montiert und übernimmt die Auf-Zu-Steuerung sowie die Endlagenrückmeldung über den Feldbus. Alle Antriebe können unkompliziert und somit kosteneffizient in ein AS-i-Netz eingebunden und dadurch an alle gängigen Feldbussysteme angeschlossen werden.

Handarmaturen mit integrierter Rückmeldung, beispielsweise der Kugelhahn Typ 546 oder die Absperrklappe Typ 567 können mit dem AS-IM 2010 (AS-Interface Instrument Module) problemlos an ein AS-i-Netz angeschlossen werden. Sensoren mit Schaltausgang lassen sich auch in ein AS-i-Netz integrieren.

Heftausgabe: Mai 2008

Über den Autor

Sandra Schreiber , Product Manager Actuators, Georg Fischer Piping Systems
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