When I get older…

Vorbeugende Wartung für Feldbussysteme gegen Alterungserscheinungen

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14.03.2013 …loosing my hair“ sangen die Beatles vor fast einem halben Jahrhundert. Ganz so alt sind Feldbussysteme wie der Profibus noch nicht, und sie verlieren auch keine Haare. Unter Umständen allerdings die Verbindung, denn: Auch der Profibus altert.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Eine Feldbusinstallation unterliegt Verschleiß sowie Alterung und muss in der
  • Instandhaltung berücksichtigt werden wie eine Pumpe oder ein Antrieb.
  • Das Abnahmeprotokoll bei Inbetriebnahme dient als Nachweis für eine einwandfreie Installation und als  Referenz für spätere Messungen.
  • Die permanente Busüberwachung erkennt eine schlechter werdende Kommunikation lange vor einem Totalausfall, erkannte Fehler lassen sich im Rahmen der Anlagenwartung analysieren und beseitigen.

Im Vergleich zur parallelen Verdrahtung bieten Feldbusse viele Vorteile. Trotzdem setzen sie sich in prozess- und verfahrenstechnischen Anlagen nur langsam durch. Ein Grund dafür sind Vorbehalte hinsichtlich der Komplexität und langfristigen Zuverlässigkeit der Bussysteme. Eine durchdachte Instandhaltungsstrategie mit permanenter Busüberwachung sorgt für klare Verhältnisse und Sicherheit.
Feldbussysteme wie der Profibus dienen als zentrales Nervensystem von Maschinen und Anlagen. Sie ermöglichen einen anlagenweiten Datenaustausch auf der Feldebene und umfassen Komponenten wie Steuerungen, Regler, Sensoren und Bedienpanels. Änderungen und Erweiterungen zur Prozessoptimierung sind mit Bussystemen wesentlich einfacher durchzuführen als mit konventioneller 4…20-mA-Technik. Auch die immer größer werdenden Datenmengen und die heutigen Anforderungen bezüglich Bedienerführung verlangen nach einer durchgängigen Vernetzung.
Prinzipbedingt ist der Profibus ein robuster und fehlertoleranter Feldbus. Durch Mechanismen wie die automatische Telegrammwiederholung werden Fehler in einem gewissen Umfang ausgeglichen, ohne dass der Anwender etwas davon merkt. Solange die Anzahl der Telegrammwiederholungen im definierten Bereich bleibt, wird kein Fehler gemeldet. Die Aussage in der täglichen Praxis „Wenn die Kommunikation läuft, muss alles passen“ ist deshalb trügerisch. Ein scheinbar fehlerfrei arbeitendes Bussystem kann schon bei der nächsten Schwankung der Temperatur oder Luftfeuchtigkeit kollabieren, wenn der Übergangswiderstand an einem schlechten Kontakt steigt.

Die Fehler beginnen bei der Installation
Der Profibus wird als Linienstruktur aufgebaut. Zwischengeschaltete Repeater ermöglichen weitere abgehende Linien. Physikalische Basis ist der RS-485-Standard. Logisch handelt es sich um einen seriellen Bitstrom. Die elektrische Übertragung der Daten erfolgt über eine geschirmte Zweitdrahtleitung als Spannungsdifferenzsignal. Dabei überträgt eine Ader das originäre Signal und die zweite das invertierte Signal. Durch den Verzicht auf eine Masseleitung als Bezugspotenzial ist diese Übertragungsart sehr störunempfindlich. Die Beeinflussung des Nutzsignals durch kapazitive oder induktive Einkopplungen ist bei diesem Übertragungsverfahren auf beiden Adern nahezu gleich, so dass sich Störungen überwiegend aufheben. Im Idealfall liegt die Spannungsdifferenz bei mindestens 4,4 V, bei neuerer Profibushardware auch höher. Dieser Wert ist der Normalpegel. Selbst wenn die Spannungsdifferenz auf 0,8 V abfällt, werden die Telegramme in Installationen ohne Repeater noch einwandfrei empfangen. Bei einem korrekt installierten System ist praktisch eine Reserve von 3,6 V vorhanden. Diese Reserve wird auch als Störabstand bezeichnet. Dieser exorbitante Störabstand bietet zwar große Reserven, ist aber nicht unerschöpflich.
Der maximale Störabstand ist nur erreichbar, wenn bei der Projektierung und Installation des Feldbussystems alle Normen und Richtlinien beachtet werden. Das umfasst die Beachtung der vorgegebenen Leitungslängen, die fachgerechte Montage von Anschlussstecker und Schirm, die korrekte Schaltung der Abschlusswiderstände sowie die Verwendung zugelassener Leitungstypen. Fehlerquellen können auch vertauschte Adern oder falsche Busparameter bei einzelnen Teilnehmern sein. Während der Inbetriebnahme einer Anlage sind entsprechende Abnahmemessungen ratsam. Eine grün leuchtende LED am Profibus-Master ist allenfalls ein Indiz für eine korrekte Installation, aber auf keinen Fall ein Nachweis.
Sinnvollerweise erfolgt eine fachmännische Prüfung entsprechend der Planungsrichtlinie der PNO (Profibus Nutzerorganisation). Diese umfasst neben einer Sichtprüfung auch physikalische und logische Messungen. Erkannte Fehler werden behoben. Bei der Sichtprüfung geht es um die korrekte Verlegung der Busleitung und die Einhaltung der erforderlichen Abstände. Bei den physikalischen Messungen werden die elektrischen Eigenschaften hinsichtlich Kabelbrüchen, Kurzschlüssen und Leitungslängen geprüft. Diese Arbeiten sind nur bei einem Anlagenstillstand möglich, da dabei die Busverbindungen aufgetrennt werden müssen. Die logischen Messungen können im laufenden Betrieb erfolgen. Sie umfassen beispielsweise die korrekte Adress-Vergabe an die Busteilnehmer und den Telegrammverkehr. Dabei entsteht ein Abnahmeprotokoll, das jetzt als Nachweis für eine fehlerfreie Installation und für spätere Messungen als Referenz dient.

Ab der Inbetriebnahme tickt die „biologische“ Uhr
Spätestens ab der Inbetriebnahme tickt die Uhr. Einflüsse verschiedenster Art hinterlassen ihre Spuren in Form von Alterungseffekten an der Businstallation. Neben der Alterung von Bauteilen wie Kondensatoren wirken über den gesamten Lebenszyklus immer wieder Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen, Kühlmittel, Lösemitteldämpfe, Vibrationen und Wechselbiegebelastungen auf die Profibusinstallation.
Mögliche Folgen sind:

  • Oxidation von Kontaktoberflächen,
  • Verschmutzung von Kontakten durch Staub, Öl, Kleber und Metallstaub,
  • Kabelbrüche im Kabelschlepp,
  • kalte Lötstellen durch mechanische Beanspruchung und Temperaturwechselbelastungen,
  • Austrocknen von Elektrolytkondensatoren,
  • Kurzschluss durch mechanische Reibung,
  • Beanspruchung der Buskabel durch Chemikalien und Lösemittel,
  • Whiskerbildung an Leiterplatten und
  • Versprödung von Kunststoffen durch UV-Strahlung.

Manche Anwender müssen sich das Thema Alterung erst noch ins Bewusstsein rücken. Sie betrachten den Feldbus als digitales System, welches nur zwei Zustände kennt: läuft oder läuft nicht. In der täglichen Praxis ist es nun häufig so, dass der Betreiber gar nicht weiß, mit welcher Reserve sein Bussystem aktuell läuft. Es gibt auch keine einfache Möglichkeit, die physikalische Signal- und Übertragungsqualität zu messen. Möglich ist aber der indirekte Weg.

Permanente Busüberwachung
Bei der permanenten Busüberwachung wird nicht das Übertragungssignal selbst überwacht, sondern die Folgen einer sich verschlechternden Kommunikation. Das sind beispielsweise Fehltelegramme, Telegrammwiederholungen und Diagnosemeldungen. Genau dafür hat IVG Göhringer den Profibus-Quick-Tester P-QT 10 entwickelt. Das kompakte Diagnose-Modul ist nicht größer als ein gewöhnlicher Profibusstecker. Es wird an einer beliebigen Stelle auf den Profibus gesteckt und arbeitet völlig rückwirkungsfrei. Es registriert kritische Zustände wie Fehltelegramme, Telegrammwiederholungen und Diagnosemeldungen. Die Signalisierung der Ereignisse erfolgt über eine LED und einen potenzialfreien Relais-Ausgang, der als Meldesignal auf den Eingang einer Steuerung gelegt werden kann. Damit werden schon kleine Verschlechterungen in der Buskommunikation zuverlässig erkannt, lange, bevor der Profibus komplett ausfällt. Der Anlagenbetreiber kann dann entscheiden, ob er einen Spezialisten zur Anlage ruft oder ob er eigenes Personal rechtzeitig mit den passenden Messgeräten ausstattet und entsprechend schult.?

Weiterführende Links:

Einen Beitrag zur Analyse des Physical Layers beim Foundation Fieldbus finden Sie hier.

Einen Beitrag zu Diagnose- und Expertensysteme für Feldbusinstallationen finden Sie hier.

Heftausgabe: März 2013

Über den Autor

Hans-Ludwig Göhringer, IVG Göhringer
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