Artikel Diagnose- und Expertensysteme für Feldbusinstallationen

Wer den Nutzen von moderner Leittechnik in der Prozessautomation einstreichen will, braucht die Feldbustechnik als essentielle Grundlage. Nur die digitale Kommunikation bis zum Instrument bietet den Zugriff auf detaillierte Informationen die die Aufenthaltszeit im Feld verringern, eine vorrausschauende Instandhaltung ermöglichen,
Sicherheit für Personal und Anlage erhöhen.

In der anspruchsvollen und auch für die Installation belastenden Umgebung von Prozessanlagen rückt neben der kostbaren Instrumentierung auch die Infrastruktur und Installation in den Fokus. Mit hohen Temperaturschwankungen, mechanischem Eingriff durch Wartungspersonal, Wasser oder aggressiven Medien ist der Feldbus erheblichen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Man kann sich diese Einflüsse als Verschleiß - oder positiv formuliert - „die Qualität der Installation mit Funktionsreserve" vorstellen. Punktabzug gibt es für einen unsauber verdrahteten Schirm, für eine Undichtigkeit am Gehäuse oder alternde Elektronik, die ihre elektrischen Kennwerte verändert.

Nur wenn mehrere Punkte zusammenkommen geht es der Installation wirklich schlecht, was durch temporäre Kommunikationsprobleme in Erscheinung tritt. Eine kleine Schwäche macht dem Feldbus nichts aus. Die Verfügbarkeit der Automation basiert somit auf einer bekannt gesunden Infrastruktur, die, wie bei den Geräten auch, durch Diagnose erreicht wird.

Störungsursachen im Klartext

Leittechnik und Feldgeräte übertragen Daten digital mit Hilfe eines Rechtecksignals. Dieses wird der Gleichspannung zur Versorgung der Feldgeräte überlagert. Moderne Diagnosewerkzeuge wie beispielsweise das Advanced Diagnostic Modul erfassen Messwerte über die Signalqualität selbst, aber auch segmentbezogene Werte für die Versorgungsspannung, Laststrom, Isolation gegen Erde und so weiter. Diese Daten werden geräte- und segmentbezogen erfasst und gespeichert. Die Signalqualität gibt wiederum Aufschluss über die Funktionsreserve der Installation. Statusinformation werden nach Namur-Empfehlung NE 107 klassifiziert als „Excellent", „Wartungsanforderungen" oder „Außerhalb der Spezifikation". Der Anlagenfahrer erhält diese Art der Sammelmeldung, die ihm eine Übersicht gibt. Der Rückschluss auf die eigentliche Ursache einer Störung am Feldbussegment erforderte früher eine hohe Sachkenntnis. Diese wurde von Kunden, dem Support und Entwicklern bei Pepperl+Fuchs zusammengeführt und in einem Expertensystem nutzbar gemacht.

Das System wertet pülötzliche wie schleichende Veränderungen der Feldbusphysik aus und gibt Auskunft über mögliche Ursachen. Wartungsfachkräfte wissen viel über ihre Anlage und die eingesetzten Geräte, die Feldbusinstallation ist da eher nachrangig, da sie in der Regel stabil läuft. Das Expertensystem erzeugt Meldungen im Klartext und gibt Auskunft über mögliche Ursachen und deren Behebung. Ein Beispiel: An einem Segment sackt die Signalspannung aller Feldgeräte gleichzeitig ab. Dies ist typisch für eine Überterminierung. Das Wartungspersonal muss sich nicht darum kümmern, diesen Fehler zu erkennen. Die Meldung kommt von alleine durch das Expertensystem und durch kontinuierliche Überwachung der Feldbusphysik. Im Vergleich zu zwölf Meldungen: „Der Signalpegel von Feldgerät xxx ist zu niedrig" lautet die Ansage des Expertensystems einfach: „Bitte die Terminierung prüfen."

Korrekte Installation sichert die Verfügbarkeit des Feldbusses

Für den Installateur wird die Aufgabe mit dem Feldbus einfacher. Es entfallen die schweren Multicore-Kabel und mindestens eine Rangierverteilung, wenn Feldbus statt 4...20 mA eingesetzt wird. Bei der Installation der Instrumentierung hat sich dabei folgendes Vorgehen in der Praxis bewährt:

• Adresse und Tag jedes Instrumentes im Labor / an der Werkbank einstellen,
• Gerät im Feld an der richtigen Stelle montieren und anschließen,
• je nach gewähltem Konzept den Schirm sauber auflegen oder zurückschneiden,
• Anschlussraum des Instrumentes schließen.

Alle weiteren Arbeiten zur Feldgeräteparametrierung und zur Prüfung der Feldbusphysik werden automatisiert vom Leittechnikraum in nur wenigen Minuten durchgeführt. Das oben genannte Diagnosemodul liefert vollständige, schrankfertige Dokumentation und zwar über den tatsächlich gebauten und fertig verdrahteten Zustand.  Das Expertensystem vergleicht bei der Prüfung die tatsächlichen mit den geplanten Werten aus der Planungssoftware Segment Checker (kostenloser Download unter: www.segmentchecker.com). Die Qualität der Feldbusinstallation - die Funktionsreserve - ist somit bekannt und dokumentiert. Sie dient bei der laufenden Überwachung als Ausgangspunkt. Das schafft Klarheit zwischen Betreiber und Installationsteams, die die Güte ihrer Arbeit nun bescheinigt bekommen. Anwender berichten, dass danach auch der Loop-Check signifikant schneller von statten geht, da die Kommunikation stabil funktioniert und jedes Feldgerät korrekt angesprochen werden kann. Vierzig Minuten Zeitersparnis je Feldgerät sind realistisch. Zudem muss auch die Messstrecke selber nicht kalibriert werden, und alle Messwerte werden digital mit sehr hoher Auflösung in die Messwarte übertragen.

Laufender Betrieb: Feldbusdiagnose macht Stabilität sichtbar

Wenn der Feldbus einmal läuft, dann läuft er. Und die Feldbusdiagnose macht diese Stabilität sichtbar. Negative Einflüsse sind die Ausnahmebedingungen, etwa starke äußere Belastung und viel häufiger noch: der manuelle Eingriff im Rahmen der Instandhaltung von Instrumenten. Deswegen empfiehlt es sich, die Installation kontinuierlich zu überwachen und den Qualitätsprüfung nach jedem Eingriff am Segment erneut durchzuführen. So lassen sich auch sicherheitsrelevante Signale übertragen. Beim sicherheitsgerichteten Feldbus stellen Sensor, Steuerung und Aktor eine Verbindung so her, dass die Verbindungstechnik bei Betrachtung und Berechnung der Sicherheit nicht berücksichtigt werden muss. Dafür sorgen zusätzliche verstärkende Elemente im Protokoll.  

Um für sicherheitsgerichtete Signale über den Feldbus gerüstet zu sein, ist eine makellos funktionierende Feldbusinfrastruktur absolutes Muss. Voraussetzung dafür ist eine sehr hohe Verfügbarkeit. Diese wird durch die kontinuierliche Überwachung erreicht.

Betreiber existierender, auch kleinerer Anlagen mit um die 100 Feldgeräten treiben die Modernisierung mit Feldbus voran. Das Argument der zusätzlichen Lagerhaltung wurde von diesen äußerst elegant ausgehebelt. Als Ersatz liegen nur noch Feldgeräte mit Feldbusanschluss bereit. Parallel zu den existierenden I/O-Karten wurde die Feldbusinfrastruktur aufgebaut: Leittechnik, Feldbuskabel und Anschlusskästen einmal installiert. Ist ein Tausch notwendig, wird das Gerät an die Feldbusinstallation angeschlossen. Hier zeigt sich noch eine weitere Eigenschaft als Stärke: Physikalischer Anschluss und Einbindung in die Leittechnik ist immer gleich, unabhängig von Art und Funktion des Instruments. Das spart auch dauerhaft Schulungsaufwand. Leitsysteme erlauben die Konfiguration im laufenden Betrieb (Stichwort: Configuration in Run oder CIR).

Fazit: Zugegeben - die Infrastruktur der Feldbussysteme stellt eine Anfangsinvestition dar. Sie erlaubt es jedoch, die Schätze der Anlage zu heben: höhere Verfügbarkeit, bessere Materialnutzung und mehr Sicherheit für die Anlage - und für den Menschen.

Entscheider-Facts
Für Planer und Betreiber

• Eine Überwachung der Feldbusphysik ist Voraussetzung für stabilen Betrieb und sichere Inbetriebnahme.
• Expertensysteme assistieren Fachkräften bei allen Tätigkeiten rund um die Feldbusphysik.
• Eine hohe Verfügbarkeit ist die Basis für sicherheitsgerichtete Steuerung über Feldbus.
• Feldbus auch bei schrittweiser Migration möglich.

Achema 2012 Halle 11.1 - A41

Autor: Andreas Hennecke, Produktmarketingmanager Geschäftsbereich Prozessautomation bei Pepperl+Fuchs
Ausgabe:06/2012 Juni