Bild 01: Blitz- und Überspannungsschutz ist in explosionsgefährdeten Bereichen der Prozessindustrie ein Schlüssel für die sichere EthernetAPL-basierte Feldkommunikation. (Quelle: stock.adobe.com_Anut Phvtong_307353042)
Mit Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) steht erstmals ein Ansatz zur Verfügung, der gezielt für die besonderen Anforderungen der Prozessautomatisierung entwickelt wurde. Große Übertragungsdistanzen von bis zu 1 000 m in der Stammleitung (Trunk) und 200 m in den Stichleitungen (Spurs), eine Datenrate von bis zu 10 Mbit/s sowie die kombinierte Übertragung von Energie und Daten über eine Zweidrahtleitung schaffen die Grundlage für eine einheitliche Kommunikation vom Feldgerät bis in übergeordnete Leitsysteme und IT-Plattformen.
Gleichzeitig unterstützt Ethernet-APL den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen durch eigensichere Konzepte wie 2-WISE (2 Wire Intrinsically Safe Ethernet). 2-WISE beschreibt die eigensichere Ausführung von Ethernet-APL Stromkreisen, bei der Spannung, Strom und Leistung so begrenzt sind, dass selbst im Fehlerfall keine zündfähige Energie freigesetzt werden kann. Die normativen Grundlagen hierfür werden unter anderem in der DIN CLC IEC/ TS 60079-47 (VDE V 0170-47) [1] definiert.
Mehr Transparenz als wirtschaftlicher Vorteil für den Betreiber
Ein wesentlicher Mehrwert von Ethernet APL liegt aus Sicht des Betreibers in der durchgängigen Verfügbarkeit von Informationen. Feldgeräte werden nicht mehr nur als reine Signalquellen betrachtet, sondern als intelligente Datenlieferanten. Diagnose-, Status- und Asset-Informationen stehen konsistent und in nahezu Echtzeit zur Verfügung – vom Sensor bis zur Management-Ebene. Diese Transparenz ermöglicht:
- die frühzeitige Erkennung von Abweichungen und Störungen,
- zustandsbasierte Wartung statt reaktiver Instandhaltung,
- reduzierte Stillstandszeiten und besser planbare Serviceeinsätze sowie
- eine fundierte Entscheidungsbasis für Betrieb, Instandhaltung und Investitionen.
Damit wird Ethernet-APL zu einem zentralen Enabler für Condition Monitoring, Predictive Maintenance und eine insgesamt höhere Anlagenproduktivität. Voraussetzung für diese Vorteile ist jedoch eine dauerhaft stabile und zuverlässige physikalische Kommunikationsinfrastruktur.
Neue Freiheitsgrade – neue Anforderungen an die Infrastruktur
Mit Ethernet APL steigen die Anforderungen an die Robustheit der Infrastruktur deutlich. Lange Leitungen, verzweigte Topologien und die gemeinsame Übertragung von Energie und Daten führen dazu, dass Blitz- und Überspannungseinflüsse eine wesentlich größere Rolle spielen als bei klassischen Feldbussystemen.
Überspannungen entstehen nicht nur durch direkte Blitzeinschläge, sondern häufig durch elektromagnetische Einkopplung bei nahen Einschlägen oder durch temporäre Erdpotentialanhebungen. Diese Effekte können auch dann auftreten, wenn sich das Blitzereignis bis zu zwei Kilometer entfernt ereignet. Die resultierenden transienten Spannungen erreichen innerhalb weniger Mikrosekunden Amplituden im Kilovolt-Bereich und übersteigen damit die Isolationsfestigkeiten von Feldgeräten, Schnittstellen und Leitungen.
Für den Betreiber bedeutet dies: Jeder Ausfall eines Field Switches oder Feldgeräts führt nicht nur zu Reparaturkosten, sondern auch zu Verlust von Prozess- und Zustandsinformationen, zu Produktionsunterbrechungen und im schlimmsten Fall zu sicherheitsrelevanten Situationen.
Überspannungsschutz im Ex-Bereich: sicherheitsrelevant und verpflichtend
In explosionsgefährdeten Bereichen kommt dem Blitz- und Überspannungsschutz eine besondere sicherheitstechnische Bedeutung zu. Überspannungsereignisse sind hier nicht nur als Gefahr für elektronische Komponenten zu bewerten, sondern grundsätzlich als potenzielle Funken- und damit Zündquellen.
Die Technische Regel für Gefahrenstoffe TRGS 723 [2] fordert zur Vermeidung der Entzündung gefährlicher explosionsfähiger Gemische einen wirksamen Potentialausgleich, um gefährliche Potentialunterschiede und elektrische Ausgleichsströme zu verhindern. Bei elektrischen Leitungen und informationstechnischen Netzen wird dieser Potentialausgleich durch den gezielten Einsatz von Überspannungsschutzgeräten realisiert (Bild 2).
Ergänzend beschreibt die Normenreihe DIN EN IEC 62305 (VDE 0185-305) [3] den Blitzschutz als ganzheitliches Schutzkonzept. Sie fordert den Blitzschutz-Potentialausgleich für alle leitfähigen Systeme, die von außen in eine Anlage eingeführt werden.
Die IEC 61643-21 [4] definiert dabei die Anforderungen und Prüfverfahren für Überspannungsschutzgeräte in Signal- und Datennetzen. Sie stellt sicher, dass Überspannungsschutzgeräte Überspannungen wirksam begrenzen, ohne die Signalübertragung – etwa in Ethernet-APL-Netzen – zu beeinträchtigen.
Überspannungsschutzgeräte [5] übernehmen somit eine Doppelfunktion: Sie schützen die angeschlossene Elektronik und sind zugleich integraler Bestandteil des Potentialausgleichs und der Zündquellenvermeidung.
Für den Anlagenbetreiber ist Blitz- und Überspannungsschutz damit keine optionale Zusatzmaßnahme, sondern eine zwingende Voraussetzung für einen sicheren und regelkonformen Betrieb.
Bewährte Schutzprinzipien – neu interpretiert für Ethernet-APL
Das Grundprinzip des Blitz- und Überspannungsschutzes ist seit Jahrzehnten etabliert. Neu ist jedoch seine konsequente Anpassung an die technologischen Anforderungen von Ethernet-APL.
Die Ethernet-APL-Technology-Specifications sowie die Engineering & Installation Guides wurden neben namhaften Industriefirmen auch von den internationalen Standardisierungsorganisationen FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation sowie Profibus & Profinet International (PI) entwickelt und definieren klare Rahmenbedingungen für Portprofile, Signalübertragung und Leistungsparameter.
Überspannungsschutzgeräte dürfen diese Eigenschaften nicht beeinflussen. Kapazitive oder strombegrenzende Schaltungskomponenten sind daher ungeeignet, da sie Reichweite, Signalqualität oder Energieübertragung beeinträchtigen würden.
Überspannungsschutz wird damit vom nachträglichen Zusatz zu einem integralen Bestandteil der Netzwerkarchitektur, der bereits in der Planungs- und Engineering-Phase berücksichtigt werden muss.