Vitamin E ist ein in z.B. Pflanzenölen vorkommender Wirkstoff, der im Stoffwechselkreislauf die Oxidation von ungesättigten Fettsäuren verhindert. Vitamin E wird heute in großen Mengen benötigt (ein Schwerpunkt liegt auf der Ernährung) und daher großtechnisch hergestellt. Am Standort Sisseln der DSM wurde 2001 mit dem Bau einer völlig neuen Produktionsanlage begonnen, die mit einer Kapazität von 25.000 t/Jahr zu den größeren Anlagen dieser Art zählt. Angesicht der geforderten hohen Produktivität kam der Automatisierungstechnik eine besondere Bedeutung zu.

Anlagen-Topologie, übersichtlich und durchgängig

Die mit PROFIBUS zu automatisierende Anlage erstreckt sich über mehrere Stockwerke eines Gebäudes und schließt auch das Tanklager mit ein. Die insgesamt knapp 5000 I/O-Stellen in der Feldebene verteilen sich auf 27 einander ähnlich aufgebaute Teilanlagen mit je einem Controller (Siemens S7 400) zur Steuerung. Der Busstrang versorgt die einfachen Aktoren und Frequenz-umformer, der Busstrang die Sensoren & Regelventile, welche umfangreiche Diagnose bereitstellen.

Alle 27 Controller sind untereinander mit einem Industrial Ethernet Anlagenbus vernetzt und über redundante Server mit dem überlagertem Terminalbus verbunden. Dieser Terminalbus dient als Datenbus zur Anbindung der Bedienstationen und der Engineeringstation sowie als Kommunikationsschnittstelle zur Office-Welt.

Die Vielfalt der benötigten Feldgeräte wird aus dem Mengengerüst der I/O-Stellen (Tabelle 1) deutlich. Ziel war es, diese Vielfalt von Feldgeräten zur Vereinfachung von Planung, Montage, Inbetriebnahme und Unterhalt möglichst mit einem einzigen durchgängigem Kommunikationsprotokoll an die jeweiligen Controller anzubinden und zu betreiben. Hier zeigte sich gerade für verfahrenstechnische Produktionsanlagen die einzigartige Position von PROFIBUS in der - trotz IEC-Standardisierung – noch immer vielschichtigen Feldbuswelt: Dank seines modularen Aufbaus kann PROFIBUS in allen Bereichen einer Anlage für verschiedenste Aufgaben, jedoch mit voller Durchgängigkeit der Kommunikation eingesetzt werden. Dazu tragen die verschiedenen alternativen Übertragungstechniken oder die zahlreichen anwendungsgerechten Applikationsprofile bei.

Zu diesen 'anwendungsspezifischen Ausprägungen' von PROFIBUS gehören u.a.:

• 'PROFIBUS PA' für Aufgaben der Prozessautomatisierung, mit der Schnittstelle MBP-IS (Manchester coded, bus powered, intrinsically safe). Die zugehörigen Geräte werden als PA-Geräte bezeichnet.
• 'PROFIBUS DP' für Aufgaben der Fabrikautomatisierung, mit der Schnittstelle RS485. Die zugehörigen Geräte werden als DP-Geräte bezeichnet
• 'HART über PROFIBUS' beschreibt den Betrieb von HART-Geräten in der Regel über Remote I/O-Systeme als Kommunikationsanbindung an PROFIBUS-Master.

 Berücksichtigt man hier noch die Möglichkeit einer Anbindung von Motoren sowie Sicherheitsapplikationen über PROFIBUS, die in dieser Anlage nicht umgesetzt wurden, so zeigt sich PROFIBUS derzeit als der einzige Feldbus, der auf Grund seiner Vielseitigkeit alle Anforderungen einer verfahrenstechnischen Anlage durchgängig erfüllen kann.

Teilanlagen einfach und einheitlich strukturiert

Für alle Teilanlagen der Produktionsanlage wurde eine einheitliche Topologie zur Anbindung der Feldgeräte umgesetzt. Die unterschiedlichen 'anwendungsspezifischen Ausprägungen' von PROFIBUS zur Anbindung der Feldgeräte an den jeweiligen Controller des Prozessleitsystems (Siemens, PCS7) sind von rechts nach links:

Anbindung von PROFIBUS PA-Feldgeräten über PROFIBUS DP/PA-Koppler, Links und Feldbarrieren

• Anbindung von HART-Feldgeräten über ein PROFIBUS DP Remote I/O-System
• Anbindung von Auf/Zu-Ventilen über eine PROFIBUS DP-Ventilinsel
• PROFIBUS DP zum direkten Anschluss von Motoren mit Frequenzumrichtern
• Direktankopplung von Motoren über Eingabe/Ausgabekarten im PLS

 In dieser Topologie sind je Teilanlage im Mittel 170 Geräte bzw. I/O-Stellen an je einem Controller angeschlossen, die weitaus meisten davon über die jeweils zwei PROFIBUS DP-Karten der Controller. Deutlich ist der geringe Verkabelungsaufwand vom Controller in die Feldebene gegenüber einer konventionellen Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu erkennen.

Zu erwähnen ist auch die wichtige Funktion der Barrierentechnologie für die Zahl der an einem PROFIBUS PA-Segment in der Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) anschließbaren Feldbusgeräte. Die gemäß IEC aus signaltechnischen Gründen maximale Zahl von 32 Geräten/PA-Segment kann aus Gründen der bei Ex i begrenzten Energiezufuhr in das Segment bei weitem nicht ausgenutzt werden. Hier hilft die Technologie der PROFIBUS-Feldbusbarrieren weiter, die eingangsseitig mit der Zündschutzart Ex e und daher mit höherer Leistung versorgt werden, dagegen ausgangsseitig in Richtung Feld den eigensicheren und rückwirkungsfreien, kurzschlusssicheren Anschluss von bis zu vier PROFIBUS PA Feldbusgeräten erlauben. So konnten hier bis zu maximal 6 dieser Barrieren bzw. 24 Feldbusgeräte in einem Segment zusammengeschlossen und eigensicher betrieben werden. Bei einer Daten-Übertragungsrate von 31,25 kbits/s im PROFIBUS PA Segment wurden so maximale Zugriffs-Zykluszeiten für jedes Feldbusgerät von unter 0.4 Sekunden garantiert.

Das Problem der Beurteilung von eigensicheren Systemen für den Einsatz im Ex-Bereich ist bei PROFIBUS durch das FISCO-Konzept grundlegend gelöst. Bei Verwendung von nach FISCO zertifizierten Feldbuskomponenten ist die EEx i Konformität durch die Baumusterprüfbescheinigung sichergestellt. Allerdings verbleibt ein nicht unerheblicher Aufwand, um den Forderungen der ATEX 137 (Anforderungen an die Betreiber) nachzukommen, da die Feldgeräte nur für den Betrieb im atmosphärischen Bereich zertifiziert sind, was in Chemieanlagen nur im belüfteten Zustand, jedoch nicht für den Betrieb zutrifft.

Diagnose: leistungsfähig, aber noch nicht ausgereizt

Die Möglichkeit der Diagnose von Feldbusgeräten stellt einen erheblichen Zusatznutzen der Feldbustechnik dar. 'Diagnose' ist dabei die Interpretation von gemessenen oder anderweitig festgestellten Symptomen aus den Geräten oder dem Prozess mit dem Ziel, Fehlfunktionen und ihre Ursachen rechtzeitig zu erkennen und zu beheben.

Gerade für den Betrieb der Vitamin-E-Anlage wurde die Diagnose von Feldbusgeräten als wichtig erachtet, da zum einen die Produktionsanlage im wesentlichen als kontinuierliche Anlage ohne nennenswerte Stillstandszeiten betrieben werden soll und über ihren Lebenszeit weitgehend unverändert genutzt werden soll.

Hier gewinnt die Diagnose von Feldbusgeräten eine große Bedeutung von der Optimierung des Anlagenbetriebs bis hin zur Instandhaltung. Konkrete Zielsetzungen der Anwender für die Verwendung der Diagnoseinformationen sind z.B.

 Übersichtliche Zustands-Visualisierung für Operator und Werkstattpersonal

• Logging für statistische Störungserfassung und verschleißbedingte Wartung
• Einheitliche Strategie im PLS bei Geräteausfall und Wartungsbedarf

Voraussetzungen für die Nutzung der Diagnose von Feldbussystemen sind:

• Geeignete Diagnose-Funktionalitäten (Sensorik und Rechenleistung) im Feldgerät
• Sichere Kommunikation der Diagnoseinformationen über den Bus
• Einheitliche, herstellerübergreifende Festlegung (Codierung) von typischen Diagnose-Inhalten

 PROFIBUS bzw. die PROFIBUS unterstützenden Hersteller haben frühzeitig umfangreiche Diagnose-Mechanismen spezifiziert und entsprechende Geräte entwickelt, so dass grundsätzlich eine leistungsfähige Diagnose möglich ist. Das gilt sowohl für den Diagnose-Mechanismus im Kommunikationsprotokoll PROFIBUS DP als auch für die zusätzlich im Applikationsprofil von PROFIBUS PA-Feldgeräten definierten Diagnose-Inhalte. Allerdings wurde bei letzteren die Definitionen nicht immer prägnant genug formuliert, so dass gelegentlich für gleiche Fehler je nach Hersteller unterschiedliche Bits gesetzt werden.

Die Notwendigkeit, hier eine strikte Vereinheitlichung zu etablieren, wurde inzwischen von Anwendern und Herstellern erkannt und wird derzeit in einem breiten Gremium mit Vertretern aus GMA (VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik), NAMUR (Interessengemeinschaft Prozessleittechnik der chemischen und pharmazeutischen Industrie) und PNO (PROFIBUS Nutzerorga-nisation) bearbeitet. Ziel dieses Gremiums ist es, die Anforderungen an Selbstüberwachung und Diagnose in der Feldinstrumentierung zu spezifizieren und die Weiterverarbeitung im PLS zu harmonisieren.

Basierend auf der bereits 1996 von der NAMUR in der NE 64 definierten Klassifizierung von Statusmeldungen sollen so die vielfältigen Diagnoseinformationen aus den Feldgeräten zu allgemeingültigen Sammelmeldungen verdichtet werden. Erste Ergebnisse wurden bereits auf der NAMUR Haupt-versammlung im November 2003 vorgestellt, ein Abschluss der Arbeiten wird für das zweite Quartal 2004 erwartet.

Für die Vitamin E-Anlage wurden vom Anwender zur Anbindung der heterogenen Feldbusgerätewelt und Umsetzung der NAMUR 64-orientierten Diagnoseauswertung (Tabelle 2) eigene I/O Treiberbausteine inklusive der zugehörigen Visualisierung auf der WinCC-Ebene entwickelt. So konnten in kurzer Zeit die genanten Schwachstellen gemeistert und weitere Wünsche wie Meldeschwallunterdrückung oder das Ausblenden von unerwünschten Diagnosebits integriert werden.

Gerätebedienung: zwei Methoden im Wettbewerb

Die Feldbustechnik entfaltet ihren vollen Anwendernutzen nur durch konsequente 'Offenheit', was gleichbedeutend ist mit der Verwendung von Geräten vieler verschiedener Hersteller. Um diese Vielfalt bei Installation, Parametrierung und Bedienung zu beherrschen, hat PROFIBUS Standards für die zentrale und einheitliche Bedienung von Feldgeräten entwickelt. Daraus sind zwei Methoden (EDD, Electronic Device Description und FDT/DTM, Field Device Tool/Device Type Manager) entstanden, die heute am Markt in Wettbewerb stehen und die beide ihre Vorzüge haben. Es liegt in der Hand des Anwenders, hier seine Wahl zu treffen, wobei angesichts der hohen Innovationsgeschwindigkeit beider Technologien eigentlich nur Moment-Aussagen möglich sind. Wir haben Erfahrungen mit beiden Methoden gesammelt, von denen wir einige - aus unserer Sicht formuliert - in Tabelle 3 zusammengefasst haben.