Ethernet-APL in der Feldebene kritischer Gasspeicher

Versorgungssicherheit ist kein Marketingbegriff, sondern Betriebsauftrag. Wer Untergrund-Erdgasspeicher mit einem Volumen im Milliarden-Kubikmeter-Bereich für den nordwesteuropäischen Markt betreibt, kann sich Ausfälle schlicht nicht leisten. Fällt hier Technik aus, wird es im Zweifel in vielen Haushalten kalt. Ein solcher Betreiber kritischer Infrastruktur hat seine Feldebene jetzt grundlegend modernisiert und sich dabei bewusst gegen das Gewohnte und für die Zukunft entschieden: Ethernet-APL als physikalische Schicht, geliefert in feldtauglichen Schaltschranklösungen des Anbieters Pepperl+Fuchs.

Reinvest als Prinzip

Die Ausgangslage ist für Kavernenspeicher typisch und aus Sicht von Automatisierern in der Chemie zugleich beneidenswert: Alle 20 Jahre wird die komplette elektrotechnische Ausrüstung erneuert – nicht weil sie defekt wäre, sondern weil Stabilität und Verfügbarkeit es verlangen. Funktionierende Technik fliegt raus, neue zieht ein. Der betroffene Kavernenspeicher, Baujahr 1984, steht damit im dritten Erneuerungszyklus. Acht Gaskavernen in 1.000 bis 1.100 m Teufe, eine Kapazität von 216 Mio. m³ Gas, Energie für rund 145.000 Haushalte pro Jahr – das ist der Maßstab, an dem sich jede Komponente messen lassen muss.

Bislang lief die Signalerfassung klassisch und zentral: alle Prozesssignale über eine Profibus-PA-Infrastruktur mit einer einzelnen Zweidrahtleitung zwischen Feldverteiler und Steuerung sowie sicherheitsgerichtete Signale nach Signaltrennung über Stammkabel in den Schaltraum geführt. Viele Kabelwege, viele Klemmstellen. Jede dieser Stellen ist ein Planungspunkt und ein potenzieller Fehlerpunkt.

Dezentral statt Stammkabel

Die neue Topologie dreht dieses Prinzip um. Statt jedes Signal einzeln via Stammkabel in den Schaltraum zu schleppen, sitzt die Intelligenz nun im Feld. Herzstück ist der APL-Rail-Field-Switch ARS11 von Pepperl+Fuchs, der den Übergang zwischen Standard-Industrial-Ethernet und Ethernet-APL herstellt. Die Feldgeräte gehen auf den dezentralen Switch, von dort führt nur noch ein Lichtwellenleiter gebündelt in den Schaltraum – und via Profinet auf eine Steuerung des Siemens-Leitsystems PCS7.

„Wir verzichten auf alle möglichen Stammkabel und Signalwege“, beschreibt Armin Ludwig, der zuständige Vertriebsingenieur von Pepperl+Fuchs, den Effekt: „Aus einer Kette von Feldgerät über Rangierebene, Trennschaltverstärker, erneute Rangierung und I/O-Karte bis zum Leitsystem wird eine einzige Leitung vom Feldgerät zum Feldverteiler .“ Weniger Planungsaufwand, weniger Fehlerquellen, kürzere Strecken – das ist die handfeste Rechnung hinter der Modernität.

Charmant an der gewählten Lösung ist, dass sie keine reine Ethernet-APL-Welt erzwingt. Über die PA-Proxy-Funktionalität des ARS11 lassen sich vorhandene Profibus-PA-Geräte in Profinet einbinden. Konventionelle Signale ohne SIL-Anforderung übernehmen Multi-Input/Output-Boxen vom Typ F2D0-MIO-Ex12.PA. Für die sicherheitsgerichteten Loops kommen Remote-I/Os mit Failsafe-Modulen zum Einsatz. Klassische und neue Welt verbinden sich also in einem Schrank.

Verfügbarkeit bis ins Detail

Bei einem Betreiber mit höchsten Verfügbarkeitsanforderungen ist Redundanz Pflicht. Sie liegt bei dem hier beschriebenen Projekt primär auf der verfahrenstechnischen Ebene: Mehrere Verdichterstationen stehen identisch nebeneinander, von denen mindestens zwei dauerhaft am Netz verfügbar sein müssen. Ergänzend wurde die Switch-Topologie über zwei eingeführte LWL-Leitungen (Lichtwellenleiter) in Stern-Topologie ausgelegt – bricht eine Faser weg, läuft die Kommunikation über die zweite weiter. Eine Ring-Topologie mit ihrem Risiko der unterbrochenen Kommunikation kam bewusst nicht infrage.

Pepperl+Fuchs lieferte für das Projekt feldtaugliche Edelstahl-Gehäuselösungen für die Montage in Zone 2, bestückt mit ARS11-Switch, PS1000-Netzteil für die 230-V-AC-/24-V-DC-Versorgung, MFT-Klemmen zur Trennung von Stromkreisen auch ohne Feuerschein sowie LWL-Spleißkassette. Heizung und Thermostat sichern den Feldeinsatz bei kalten Temperaturen ab.

Das Volumen des Projekts unterstreicht den Stellenwert: Insgesamt lieferte der Automatisierungsspezialist 26 Edelstahl-Gehäuselösungen mit integriertem Ethernet-APL-Switch, in denen rund 30 APL-Rail-Field-Switches sowie 15 Multi-Input/Output-Boxen verbaut wurden. Bereits zuvor war die Lösung in einem kleineren Testaufbau an einem zweiten Standort des Betreibers erprobt worden – ein typisches Vorgehen, bevor kritische Infrastruktur flächendeckend auf eine neue Technologie umgestellt wird.

Ein Detail mit Signalwirkung ist das Schließsystem: Auf Kundenwunsch realisierte der Lösungsanbieter die Gehäuse so, dass ein codierbares, elektronisches Verschlusssystem mit Atex-Zulassung integriert werden konnte. Das erforderte ein eigenes Entwicklungsprojekt – schließlich sieht die benannte Stelle zusätzliche Bohrungen im Ex-Gehäuse nicht gern. Der Mehrwert: Schlüssel müssen regelmäßig reaktiviert werden und verlieren sonst ihre Gültigkeit. Auch ausgeschiedene Mitarbeiter oder externes Wartungspersonal kommen so nicht mehr an die unbemannten Stationen – ein Aspekt, der Zugangskontrolle und Cybersecurity gleichermaßen adressiert.

Die Lehre für Brownfield-Anlagen

So prestigeträchtig der Gasspeicher als Referenz ist – die eigentliche Botschaft zielt auf die breite Masse der Bestandsanlagen in Chemie und Prozessindustrie. Denn der entscheidende Hebel heißt Technologieoffenheit, und er kostet erstaunlich wenig. Wer ohnehin in eine dezentrale Remote-I/O-Lösung investiert oder diese modernisiert, sollte den APL-Field-Switch gleich mitbestellen. Der Aufpreis liegt je nach Switch-Größe bei wenigen Tausend Euro – ein überschaubarer Betrag, gemessen am Nutzen. Denn fehlt der Switch heute, steht der Betreiber in fünf oder fünfzehn Jahren womöglich mit einem APL-Feldgerät in der Hand da, das er nicht einbinden kann, ohne einen kompletten neuen Kasten danebenzuhängen – ein Invest von 15.000 bis 20.000 Euro. Mit vorinstalliertem APL-Switch reicht das sprichwörtliche Anschließen.

Hinzu kommt ein oft unterschätzter Aspekt: die Verfügbarkeit der Komponenten selbst. Wie viele Jahre Geräte mit Feldbustechnologie wie Profibus PA lieferbar sein werden, scheint fraglich. Wer heute auf eine auslaufende Technologie setzt, riskiert das Ersatzteilproblem von morgen – jene Situation, in der man auf Auktionsplattformen nach Komponenten sucht, weil der Hersteller nicht einmal mehr die Chips bekommt. Ethernet-APL als standardisierte, herstellerübergreifende Feldphysik bietet hier die deutlich tragfähigere Perspektive.

Für den Anbieter ist das Projekt mehr als eine einzelne Referenz. Der Betreiber hat signalisiert, bei erfolgreichem Abschluss auch die anstehenden Erneuerungen seiner weiteren Kavernenstandorte auf Ethernet-APL auszurichten – ein Erneuerungsprogramm, das sich über die kommenden Jahre erstreckt und teils bereits H2-ready ausgelegte Speicher umfasst. Damit wird aus dem Reinvest eines einzelnen Speichers eine technologische Weichenstellung für einen ganzen Anlagenpark.

In anderen Anlagen der Prozessindustrie ist der typische Anlass für den Umstieg meist schlicht das Alter der Anlage. Wo 30 oder 40 Jahre alte Technik alles sternförmig per Stammkabel in den Schaltraum führt, lohnt der Schritt zur dezentralen Lösung mit APL-Switch fast immer – ebenso bei jedem Neubau eines Produktionsteils oder Tanklagers. Für Armin Ludwig ist die Botschaft des Projekts an die Branche unmissverständlich: „Wer die Infrastruktur ohnehin anpackt, sollte den Schritt zur Zukunftssicherheit mit Ethernet-APL gleich aktiv mitgehen.“