Feldbus: Advanced Diagnostics macht Feldbus noch zuverlässiger

Die Umsetzung von Mess- und Kontrollfunktionen mit Feldbustechnologie bringt dem Anlagenbetreiber zusätzlichen Nutzen. Intelligente Feldgeräte bieten ein bislang nicht gekanntes Maß an Präzision, denn es ist nur noch eine einmalige Umwandlung analoger Informationen in binäre Codes erforderlich, deren korrekte Übertragung mithilfe von Prüfsummen und anderen Mechanismen sichergestellt wird. Das Ergebnis sind Regelkreise mit erhöhter Genauigkeit für gleich bleibend hohe Fertigungsqualität.

Moderne Feldgeräte sind heute in der Lage, zusätzliche Statusinformationen zu liefern, wie zum Beispiel die kumulierte Betriebszeit oder den Ausfall von Ventilen oder andere Informationen über die Nutzung einzelner Komponenten. Das ermöglicht eine vorbeugende Wartung, die nicht allein auf fest vorgegebenen Wartungsintervallen beruht, sondern sich zugleich am tatsächlichen Status des Feldgeräts orientiert. DCS-Hersteller stellen für diese Aufgabe umfassende Systeme zum Anlagenmanagement bereit. Dabei steht eine am tatsächlichen Bedarf orientierte Wartung im Vordergrund, die im Vergleich zu herkömmlichen Methoden in vielen Fällen mit doppelt so langen Wartungsintervallen auskommt.

Als weiterer Vorteil kommt die Fernkonfiguration der Feldgeräte über den Feldbus hinzu, die dazu beiträgt, Rüstzeiten sowohl bei der Batchproduktion, als auch beim Austausch eines Feldgeräts im laufendem Betrieb zu verkürzen. Messbare Vorteile, die dazu beigetragen haben, dass der Feldbus selbst im konservativen Bereich der Prozessautomation immer mehr an Bedeutung gewinnt.

Neue Anwender sehen das Feldbusnetzwerk oft als ein »unbekanntes Wesen«. Hier werden Daten auf geradezu mysteriöse Weise vom DCS über eine Leitung geschickt und mit einem Feldgerät ausgetauscht. Auf den ersten Blick ist dieses Misstrauen leicht nachvollziehbar, denn schließlich müssen ja die Kommunikationssignale deutlich komplexer aufgebaut sein, wenn mehrere Geräte an ein gemeinsames Kabel angeschlossen werden. Bei der herkömmlichen 4…20 mA-Technologie wird jedes Gerät über sein eigenes Kabel angeschlossen und der Stromfluss liefert alle erforderlichen Informationen: ganz gleich ob Messwerte, oder Information über Kabelbruch oder Kurzschluss.

Nicht selten beschreiben Bedienkräfte und Wartungsmitarbeiter Problemsituationen mit Worten, wie: »Das Gerät hat den ganzen Tag lang einwandfrei funktioniert, verschwand dann plötzlich für mehrere Stunden, um irgendwann ebenso unerwartet wieder da zu sein.« Oder: »Die LCD-Anzeigen der Feldgeräte leuchteten, das Gerät selbst war aber nur für kurze Zeit am Bus aktiv.« Meist liegt die Ursache für solche Aussagen darin, dass Handmessgeräte keine Datensignale erkennen können und dem Anwender daher nicht die Informationen geben, die er bräuchte, um eindeutig beurteilen zu können, was auf der Feldbusleitung gerade passiert.

Moderne Feldbus-Diagnosetools – wie das Advanced Diagnostic Module für den FieldConnex® Power Hub – machen die physikalische Ebene und die Kommunikation des Feldbusses transparent. Das Modul misst Merkmale, wie Betriebsspannung, Stromfluss, Signalstärke, Rauschabstand oder Pegelschwankungen. Es ist in der Lage, die Kommunikation zu überwachen und dabei zwischen Segment- und Geräteinformationen zu unterscheiden. Der Anwender erhält vom Diagnostic Manager eindeutige und unmissverständliche Informationen und hat damit einen umfassenden Überblick über die Ursachen, die zu einem äußerlich zunächst nicht nachvollziehbaren Verhalten führen.

Im Alltag bleiben viele Situationen und Zustände, die schädliche Auswirkungen auf die physikalische Ebene des Feldbusses und die Kommunikation haben können, oft unerkannt:

• Verwendung eines vorhandenen alten Kabels mit falschen kapazitiven und induktiven Werten.
• Wasser, das in ein undichtes Gehäuse sickert, bewirkt Korrosion und damit ein Nachlassen der Signalqualität.
• Sich lösende Steckverbindungen infolge von Vibrationen.
• Zeitbedingte Alterung von Feldgeräten und Kabeln.
• Unsauber aufgelegte Litze der Schirmung führen zu schlechter Isolation zwischen den zwei Leitern oder gegen Masse.
• Unzureichende Erdung und Abschirmung führt zu einem verringerten Störabstand.

Das Zusammenwirken mehrerer solcher Umstände führt nicht selten zu einer der oben genannten Situationen. Jeder einzelne davon kann bestimmte Werte der physikalischen Ebene so verändern, dass sie nicht mehr den Spezifikationen entsprechen, ohne dass dadurch zwingend die Kommunikation unterbrochen wird. Der Feldbus ist eigentlich recht robust, doch wenn mehrere Faktoren bereits eine Grenzsituation herbeigeführt haben, kann eine zusätzliche Störung – zum Beispiel der Start eines Motors durch einen Frequenzumrichter in unmittelbarer Nähe der Feldbusleitung – dazu führen, dass dieses Feldbussegment nicht mehr einwandfrei funktioniert und die Kommunikation zeitweise gestört wird.

Die Feldbusphysik ist alles andere als mysteriös. Sie erfordert lediglich eine eindeutige Fehlererkennung durch Tools, wie das Advanced Diagnostic Module. Damit lassen sich alle oben genannten Zustände problemlos erkennen und können dann zu gegebener Zeit behoben werden. Bereits bei der Installation ergibt sich eine höhere Qualität und damit eine bessere Fehlertoleranz. Dazu kommt, dass die Anwender auf Probleme aufmerksam gemacht werden, bevor diese den Prozessablauf beeinträchtigen können.

Das Advanced Diagnostic Module erlaubt eine Online-Überwachung der Feldbuskommunikation in Echtzeit. Die ermittelten Werte lassen sich von Bedienkräften und Wartungsmitarbeitern direkt im Kontrollzentrum ablesen – ohne dass sich Menschen in explosionsgefährdete Bereiche begeben müssen, ohne dass Schaltschränke oder Verteiler geöffnet werden müssen und ohne Unterbrechung der Verkabelung zum Anschluss von Handmessgeräten. Alle Informationen stehen jederzeit im Kontrollraum zur Verfügung.

Bei der Inbetriebnahme werden alle für die Diagnose maßgeblichen Kenngrößen mit Schwellenwerten für die Warnauslösung versehen. Wesentliche Veränderungen am Feldbuskabel lösen sowohl am Bedienpanel als auch in der Zentrale einen Alarm aus. Die Informationen, die über das Advanced Diagnostic Module und den Diagnostic Manager zur Verfügung stehen, unterstützen eine gezielte Entscheidungsfindung. So weist ein sinkender Störabstand und geringfügige Spannungsverluste gegen Masse auf eine sich verschlechternde Situation hin, die behoben werden muss. Der Schichtleiter kann nun entscheiden, ob eine umgehende Reparatur erforderlich ist, ob in der nächsten Schicht eine zusätzliche Überprüfung vorgenommen werden soll oder ob bis zum nächsten Stillstand des Prozesses gewartet werden kann – und das zu einem Zeitpunkt, in dem das Werk noch mit maximaler Qualität und bei maximalem Fertigungsausstoß arbeitet.

Alle Beteiligten profitieren von weniger Betriebsstörungen und weniger ungeplanten Produktionsausfällen. Wenn der Feldbus unter nicht optimalen Bedingungen arbeitet, bleibt meist ein bestimmter Prozentsatz an fehlerhaften Übertragungen unbemerkt, was zu einer Verlängerung der Übertragungszyklen führt. Die dadurch nachlassende Reaktionszeit des gesamten Systems kann sich negativ auf die Produktionsqualität der Prozessanlage auswirken.

Ein genau abgestimmtes und proaktiv gewartetes Feldbussystem mit den dazu gehörigen Geräten wirkt sich nicht nur positiv auf die Verfügbarkeit des gesamten Systems und die Produktqualität aus. Es führt auch dazu, dass Betreiber, Bediener und Wartungsmannschaft eine Sorge weniger haben – denn die bisher als unbekannte Größe eingeschätzte Feldbusinstallation ist mit dem FieldConnex® Advanced Diagnostic Module von Pepperl+Fuchs jederzeit überschaubar und transparent.