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Ex-i-Trenner für die Automatisierung explosionsgefährdeter Bereiche

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27.03.2014 Die klassische Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung mit analogen und binären Signalen kommt nach wie vor auch in Neuanlagen zum Einsatz. Denn: Installation und Wartung sind einfach, Signale werden exakt und schnell verarbeitet, und die Zuverlässigkeit ist hoch.  

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Entscheider-Facts Für Betreiber


  • Die Nutzung der bidirektionalen Datenübertragung über das Hart-Protokoll nimmt in der Prozessindustrie nach wie vor weiter zu.
  • Die aus der digitalen Signalverarbeitung bekannten Diagnosevorteile können durch neue Ex-i-Trenner mit den Vorzügen der 4...20-mA-Technik kombiniert werden.
  • Neue Ex-i-Trennschalt- und -Speisetrennverstärker erhöhen durch zusätzliche Diagnose-Funktionen die Verfügbarkeit der Anlage.

Dazu kommt, dass zusätzliche Eigenschaften wie die Hart-Kommunikation von analogen 4…20-mA-Signalen sowie die Leitungsfehler-Transparenz bei binären Signalen weiterhin die aktuellen und zukünftigen Anforderungen an eine hohe Anlagenverfügbarkeit sowie geringeren Platzbedarf  und kleinem Installationsaufwand erfüllen.
Prozessvariable wie Druck, Temperatur, Durchfluss, Feuchte oder pH-Wert werden durch eigensichere Mess­umformer – sogenannte Transmitter – im Ex-Bereich erfasst und in ein elektrisches Signal umgeformt. In der Prozessautomatisierung dominiert das in der IEC 60381 Teil 1 standardisierte 4…20-mA-Stromsignal als elektrisches Signal. Neben Vorteilen wie einer niedrigen Störsignal-Empfindlichkeit und eines geringen durch Leitungswiderstände verursachten Fehlers bietet das ebenfalls als Live Zero bezeichnete 4…20-mA-Stromsignal zudem die Möglichkeit, den Messkreis in Bezug auf einen Leitungsbruch oder -kurzschluss sowie eine Unter- oder Überschreitung zu überwachen. Wird dem analogen 4…20-mA-Signal das digitale Hart-Protokoll elektrisch neutral aufmoduliert, lassen sich zusätzlich zum eigentlichen Messwert auch Grenz- oder Diagnosewerte sowie Informationen wie der Kalibrierzustand oder Status der intelligenten Feldgeräte rückwirkungsfrei in das jeweilige Prozessleitsystem einbinden und Fernkalibrierungen durchführen.
Die aus der digitalen Signalverarbeitung mittels Feldbus-Systemen bekannten Diagnosevorteile können so mit den Vorzügen der klassischen 4…20-mA-Technik kombiniert werden. Deshalb nimmt die Nutzung der bidirektionalen Datenübertragung über das Hart-Protokoll in der Prozessindustrie weiter zu. Die meisten heute verfügbaren analogen Aktoren und Sensoren sind Hart-fähig sowie in 4…20-mA-Technik und bei Durchflussmessgeräten immer häufiger in Zweileiter-Ausführung erhältlich.

Kompaktes Modul spart bis zu 45 % Platz
Als zugehöriges Betriebsmittel versorgen Ex-i-Speisetrenner die Messumformer respektive Transmitter eigensicher mit der erforderlichen Energie und leiten das elektrische Signal „Ex-i-getrennt“ an die im Nicht-Ex-Bereich installierte Steuerung weiter. Der 2013 vorgestellte Ex-i-Speisetrennverstärker MACX MCR-EX-SL-RPSS-2I-2I ist für den gleichzeitigen und galvanisch getrennten Betrieb von zwei Hart-fähigen 4…20-mA-Messumformern im Ex-Bereich ausgelegt. Mit einer Baubreite von 12,5 mm benötigt dieses Modul pro Messkreis lediglich 6,2 mm Platz auf der Tragschiene. Der Anwender spart damit vor allem in Anlagen mit einer großen Anzahl von Messstellen bis zu 45 % Platz ein.
Aufgrund der weiter verbesserten Schaltungstechnik zeichnet sich dieser Ex-i-Speisetrennverstärker ebenso wie die in 2008 eingeführte einkanalige Speisetrenner-Version durch eine hohe Transmitter-Speisespannung von mindestens 16 V, die bidirektionale Übertragung des Hart-Protokolls sowie eine hohe Signalqualität mit einem Übertragungsfehler von typisch weniger als 0,05 % aus. Die kompakte Bauform ergibt sich aus der geringen Verlustleistung von typisch unter 1,2 W, somit 0,6 W pro Kanal. Die neuen Trenner sind für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Anwendungen gemäß IEC 61508 entwickelt und zugelassen. Die eigensicheren Speisetrennverstärker erreichen sogar im einkanaligen Aufbau (1oo1) SIL3. Bei einer zweikanaligen Ausführung (1oo2) lassen sich die notwendigen Prüfzyklen verlängern.

Schalt- und Leitungsfehler unterscheiden
Die in einer Ex-Anlage verbauten Sensoren wie Kontaktgeber sowie Näherungsschalter für Stellungsrückmeldungen oder Drehzahlimpulse werden binär ausgeführt. Ex-i-Trennschaltverstärker übertragen hier die Informationen. Die Geräte nutzen das Namur-Signal gemäß DIN EN 60947-5-6, bei dem zwei Strompegel (I <1,2 mA und I >2,1 mA) logisch 0 und logisch 1 entsprechen, und leiten die Informationen eigensicher und galvanisch getrennt über Relais- oder Transistorausgänge an die Steuerung weiter. Im Gegensatz zur analogen 4…20-mA-Technik lässt sich die Leitungsüberwachung durch klassische Ex-i-Trennschaltverstärker für binäre Sensoren nur mit Nachteilen oder zusätzlichem Aufwand umsetzen. Soll die Feldverdrahtung auf Fehler überwacht werden, kann der Anwender die Ex-i-Trennschaltverstärker so konfigurieren, dass sich das Ausgangsrelais bei einem Leitungsbruch oder Kurzschluss öffnet oder der Transistorausgang energielos (sperrend) wird. Allerdings lassen sich Schalt- und Fehlerzustände jetzt nicht mehr unterscheiden. Die Trennschaltverstärker aus der Produktfamilie MACX Analog Ex ermöglichen daher eine Sammelfehlerauswertung über ein Einspeise- und Fehlermodul.
Bei den Versionen mit zwei Ausgängen pro Kanal kann ein Fehler in der Feldverdrahtung für den jeweiligen Messkreis separat über den zweiten Ausgang übertragen werden. Für den Anwender entsteht jedoch ein erhöhter Aufwand, da sich die Verdrahtungsarbeiten sowie die Anzahl der digitalen Eingangskarten in der Steuerung verdoppeln. Das Modul MACX MCR-EX-SL-NAM-NAM kommuniziert deshalb Signal und Fehlermeldung über eine Zweidrahtl-Lösung. Zu diesem Zweck bildet der neue Trennschaltverstärker das Namur-Signal ausgangsseitig nach, sodass er gleichzeitig das Schaltsignal und die Leitungsfehler-Meldung aus dem Eingangskreis weiterleiten kann. Sobald ein Leitungsbruch oder Kurzschluss auftritt, wird der Ausgang hochohmig (>100 k?) und damit von der nachgeschalteten Steuerung eindeutig als Fehler erkannt und ausgewertet. Voraussetzung ist lediglich eine Namur-fähige Digitaleingangskarte in der Steuerungsebene, die mittlerweile für fast alle Leitsysteme erhältlich ist und bereits in vielen Anwendungen verwendet wird.
Die Geräte der Ex-i-Trennerserie MACX Analog Ex-SL sind entsprechend der gültigen Atex- und IEC Ex-Normen mit der Kennzeichnung Ex II(1)G [Ex ia Ga]IIC und Ex II (1) D [Ex ia Da]IIIC für Ex-i-Stromkreise bis Ex-Zone 0 (Gas) und Ex-Zone 20 (Staub) zugelassen und können somit universell in sämtlichen Ex-Zonen und Gasgruppen eingesetzt werden. Ferner lassen sie sich gemäß Zündschutzart „n“ in der Ex-Zone 2 installieren, was sich beispielsweise bei dezentralen Automatisierungskonzepten als vorteilhaft erweist.

Hannover Messe 2014 Halle 9 – F40
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Heftausgabe: April 2014
Dipl.-Ing. Heinrich Käuper, Produktmanager Analog Ex, Phoenix Contact

Über den Autor

Dipl.-Ing. Heinrich Käuper, Produktmanager Analog Ex, Phoenix Contact

Dipl.-Ing. Heinrich Käuper, Produktmanager Analog Ex, Phoenix Contact Electronics

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