Veldbussen via glasvezel

Profibus-DP of Modbus RTU als lichtsignalen

Chemelot in Geleen of de petrochemische industrie in de Botlek tonen mooie voorbeelden hoe groot chemische fabrieken kunnen zijn. Grote installaties en vele kilometers buis zijn daar te vinden die zich allemaal in een EX-zone bevinden. Deze zones maken dat het gebruik van elektrische apparatuur aan strenge veiligheidseisen moet voldoen. Daar komt bij dat door de grote afstanden het ook nog eens lastig is om signalen van netwerken voor de besturing en controle van de fabrieken van en naar een controlekamer te geleiden. Glasvezels bieden hier vele voordelen. Deze zijn EX-proof en kunnen signalen over grote afstanden transporteren zonder tussenkomst van extra versterkers. Niet voor niets dat Turck ook naast hun al bestaande EX-programma nu ook converters op de markt heeft gebracht om veldbussen om te zetten naar glasvezel en visa versa.

Explosiegevaarlijke omgevingen worden ingedeeld in zes zones met elk eigen risico’s en veiligheidseisen. Drie hiervan zijn gas-zones en drie zijn stof-zones. Van de ATEX-gaszones is de zone 0 de zwaarste. Hier is de kans op gevaar meer dan 10% van de bedrijfsduur. Apparatuur voor deze zone moet dan ook aan extreme eisen voldoen. Is de kans op gevaarlijke gaswolken tussen de 0,1% en 10% dan spreken we over zone 1. Ook hier worden strenge eisen gesteld aan de elektronische apparaten. Is de kans kleiner dan 0,1% maar niet 0% dan hebben we zone 2 en zijn de eisen nog iets soepeler. Pas als de kans echt nul is, dan omschrijft de ATEX-norm geen extra maatregelen voor en kunnen we werken met de algemene normen voor veiligheid zoals omschreven in de diverse NEN-normen. Voor de stofexplosiegevaar gelden overeenkomstige zones met natuurlijk waarden die zijn afgestemd op de hoeveelheid stof in de lucht die wel of niet gevaar kan opleveren. Gezien het feit dat de nieuwe omzetters van Turck niet voor deze omgevingen gemaakt zijn, gaan we hier niet verder op in.

Zone 1 en 2
Om vanuit een gevarenzone veldbussignalen over te brengen naar de controleruimte (die het liefst buiten elke gevarenzone geplaatst wordt) is een glasvezelverbinding een ideale oplossing. Hiermee zorg je immers voor een galvanische scheiding en hoeft de apparatuur in de controlekamer niet te voldoen aan EX-normen. Bijkomend voordeel is de te overbruggen afstand. Een glasvezel kan kilometers lang zijn.
Voor de zones 2 en 3 heeft Turck nu een viertal verschillende omzetters die de datastroom van een bekabelde veldbus omzetten naar glasvezel. Twee hiervan zijn voor zone 2 en het onlangs uitgebrachte duo voor zone 1. De FOC-serie van Turck verzendt intrinsiek veilige veldbustelegrammen via glasvezelkabels – ook over afstanden van meer dan 2500 meter.
Voor elke zone is er een apparaat met één glasvezelpoort en een exemplaar met twee poorten. Met deze laatste kan de veldbus verder gevoerd worden naar nog meer omzetters om zo de bus uit te breiden naar andere installaties. Afbeelding 1 toont hiervan een voorbeeld. De afbeelding laat ook zien dat we minimaal twee exemplaren nodig hebben. Aan beide kanten van de glasvezel moet namelijk een omzetter geplaatst worden om het elektrische signaal in licht om te zetten en eentje om van licht weer een elektrisch signaal te maken. De apparaten voor en na de glasvezel zijn dezelfde, al is het ook mogelijk om de zone1- en zone2-apparaten te combineren. Qua omzetting zijn ze namelijk hetzelfde. De verschillen hebben uitsluitend te maken met dat wat nodig is voor de certificering.

Profibus en Modbus
De  omzetters uit de FOC-serie zijn bedoeld voor zowel Profibus-DP als Modbus RTU. Ze zijn uniek op de markt omdat ze in zone 1 en of 2 kunnen worden geïnstalleerd en intrinsiek veilige signalen volgens RS485-IS kunnen overbrengen.
Welk veldbusprotocol ze verwerken, wordt ingesteld met een 10-standenschakelaar op het front. Vier van de tien standen zijn voor Profibus-DP. Bij deze veldbus detecteert hij automatisch de gebruikte baud rate. Voor Modbus moet u dat handmatig instellen. Hier heeft u de keuze uit zes verschillende baud rates. De overdrachtssnelheden liggen in het gebied tussen 9,6 kbps en 1,5 Mbps en zoals gezegd wordt de snelheid in de Profibus-DP-mode automatisch herkend en bij gebruik van het Modbus RTU-protocol wordt de overdrachtssnelheid geselecteerd via de standen 3…9 van de draaicodeerschakelaar.
Twee van de standen voor Profibus-DP zijn bedoeld als u een ringstructuur wilt gebruiken. In dat geval dient één van de omzetters als ring master te worden ingesteld terwijl de rest als device moet worden gedefinieerd. Afbeelding 2 geeft een voorbeeld hoe een dergelijke ringstructuur er uit kan komen te zien. Overigens laat deze figuur ook zien dat u niet alles in de ring hoeft te plaatsen. Combinaties zijn ook mogelijk.

Meer dan 2500 meter afstand
De FOC-mediaconverters zijn in staat om grote afstanden van meer dan 2500 meter te overbruggen, afhankelijk van de gebruikte glasvezelkabel. Bij gebruik van een OM1 glasvezelkabel (62,5/125 μm) is het minimale zendbereik 2500 m en voor OM2 (50/125 μm) is het minimale zendbereik 1500 m. Bij de overdracht van Profibus-DP, Modbus RTU en byte-georiënteerde seriële datatelegrammen worden de signaalamplitude, flanksteilheid en bitbreedte (byte refresh) verwerkt. Bovendien wordt bij de ontvangst van de telegrammen de geldigheid van de Profibus-DP-telegrammen gecontroleerd aan de hand van het startscheidingsteken. Op deze manier worden foutieve Profibus-telegrammen niet naar het volgende segment overgedragen. Voor diagnostische doeleinden zijn er een aantal status-LED’s (voeding, glasvezelsegmenten, RS485-segment en detectie van de overdrachtssnelheid in het RS485-segment). De FOC-converters zijn ook voorzien van een alarmuitgang. Deze kan gebruikt worden voor signalering op afstand, waardoor de tijd die nodig is voor probleemoplossing aanzienlijk wordt verkort.

Overigens moeten we nog vermelden dat de twee exemplaren voor zone 2 gebruik maken van RS485 en de twee voor zone 1 van RS485-IS. Dit is de variant voor een Intrinsieke veilige RS485-verbinding.

Eenvoud
Het meest opvallende aan de converters is de eenvoud waarmee ze geïnstalleerd worden. Ze zijn gemaakt voor railmontage en moeten gevoed worden vanuit een voeding van 24 V. De beschermingsgraad is IP20 wat inhoud dat ze eigenlijk in een schakelkast gemonteerd moeten worden.
Naast het aansluiten van de RS485-verbinding en de twee glasvezels hoeft u alleen nog maar het gebruikte protocol te kiezen (en bij Modbus de baud rate) waarmee de installatie afgerond is. Zonder dat er voor het netwerk iets hoeft te veranderen, draait de nieuwe verbinding alsof het een gewone verbinding via koper is. Afbeelding 3 toont voor het exemplaar met twee glasvezelpoorten wat er aangesloten moet worden. Ook zijn hier de LED-indicatoren te zien die de status weergeven alsmede de optioneel te gebruiken poort voor alarmering.
Geconcludeerd kan worden dat het met de vier modules heel erg eenvoudig is om veldbussen naar een explosiegevaarlijke omgeving te brengen. Hiermee zijn ze dan ook een welkome aanvulling op het bestaande excom-programma van Turck dat een uitgebreid scala aan I/O-systemen omvat voor EX- en niet-EX-omgevingen.