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Interface-Lösungen für die Prozessautomation

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08.08.2012 Interface-Lösungen für die Prozessautomation?Die Ansprüche an die Automatisierungstechnik in chemischen und petrochemischen Anlagen sind hoch und steigen stetig. Als Teil der Automatisierungsebene kann die Interface-Ebene einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Anlageneffizienz und -verfügbarkeit leisten. Interface-Produktprogramme sparen wertvollen Platz, sind schnell und fehlerfrei zu installieren und vereinfachen Planung und Dokumentation.

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Entscheider-Facts Für Anwender

  • Die galvanische Trennung der einzelnen Feldsignalkreise ist eine wichtige Maßnahme für eine störungsfreie und präzise Signalübertragung und damit einen effektiven Anlagenbetrieb.
  • Die Produktfamilie Mini Analog bietet eine durchgängige galvanische Trennung für alle zur analogen Signalverarbeitung benötigten Funktionen.
  • Als „zugehöriges Betriebsmittel" für eigensichere Stromkreise sorgen Ex-i-Trennverstärker für eine sichere Limitierung der in den Ex-Bereich geleiteten Energie, sodass kein zündfähiger Funke oder thermischer Effekt entstehen kann.
  • Ist ein MSR-Signal innerhalb der (Ex-)Anlagenstruktur Bestandteil der Sicherheitsfunktion, muss der Anlagenbetreiber eine Qualifizierung der Signalübertragung hinsichtlich der Verfügbarkeit und Qualität nach IEC/EN 61508 oder IEC/EN 61511 durchführen.
  • In Kombination mit vorkonfektionierten und geprüften Systemkabeln reduziert das Termination-Carrier-Konzept die Montagezeit sowie die oft mühsame Fehlersuche bei der Inbetriebnahme erheblich, sodass sich beispielsweise der Factory Acceptance Test (FAT) kompletter Schaltschränke vereinfacht.

Als Schnittstelle zwischen den Feldgeräten und dem Leitsystem übernimmt die Interface-Ebene klassische Funktionen wie die galvanische Trennung, das Anpassen und Verstärken der Prozesssignale sowie das Filtern überlagerter Störsignale. Die galvanische Trennung der einzelnen Feldsignalkreise ist eine wichtige Maßnahme für eine störungsfreie und präzise Signalübertragung und damit einen effektiven Anlagenbetrieb. Störeinflüsse, die durch Erdpotenzialdifferenzen sowie induktive oder kapazitive Einkopplungen entstehen, werden so sicher beseitigt. Dies gilt insbesondere, wenn es sich um räumlich ausgedehnte Anlagen mit unterschiedlichen Potenzialen handelt. Die Produktfamilie Mini Analog bietet daher eine durchgängige galvanische Trennung für alle zur analogen Signalverarbeitung benötigten Funktionen. Die aktiven oder passiven ein- oder zweikanaligen Trennverstärker und Signalumformer verfügen über ein Schaltungskonzept mit niedriger Verlustleistung und eine daraus resultierende Baubreite von nur 6,2 mm. Im Vergleich zu den üblichen Abmessungen von 12,5 oder 22,5 mm sparen die Mini-Analog-Geräte somit 50 bis 70 % Platz auf der Tragschiene ein.

Geräte für explosionsfähige Umgebungen

In vielen prozesstechnischen Anlagen gibt es Bereiche, in denen explosionsfähige Atmosphären auftreten können. Die Mess- und Steuerkreise in diesen Anlagen sind dann in der Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) ausgelegt. Neben ihren klassischen Funktionen trennt die Interface-Ebene hier zwischen eigensicheren Feldgeräten und nicht eigensicheren Ein- und Ausgangskarten des Leitsystems. Als „zugehöriges Betriebsmittel“ für eigensichere Stromkreise sorgen Ex-i-Trennverstärker für eine sichere Limitierung der in den Ex-Bereich geleiteten Energie, sodass kein zündfähiger Funke oder thermischer Effekt entstehen kann. Wegen der konstruktiven Anforderungen, die die EN 60079-11 an eigensichere Betriebsmittel stellt, sind Ex-i-Trennverstärker baulich größer dimensioniert als vergleichbare für Nicht-Ex-i-Anwendungen entwickelte Geräte.

Mit einer Baubreite von 12,5 mm je Gerät – und das für sämtliche Funktionen, vom Speisetrenner bis zum Temperaturmessumformer, ob ein- oder zweikanalig – erweist sich MACX Analog Ex als eine kompakte Baureihe im Bereich der Ex-i-Trennverstärker. Gegenüber den verbreiteten Abmessungen von 16 bis 22,5 mm bedeutet dies eine Platzersparnis bis 45 % auf der Tragschiene. Möglich wird die schmale Gehäuseform aufgrund der Übertrager- und Schaltungstechniken, die sich unter anderem durch eine verringerte Verlustleistung auszeichnen. Die Geräte, die zudem ein präzises Übertragungsverhalten aufweisen, bieten durchgängig eine sichere galvanische Trennung von 2,5 kV Prüfspannung zwischen Ein- und Ausgängen sowie der Versorgung. Alle Trennverstärker der Baureihe MACX Analog Ex sind entsprechend den aktuellen nationalen und internationalen Normen zur Installation in Ex-Zone 2 sowie für Ex-i-Stromkreise bis in Ex-Zone 0 (Gas) und 20 (Staub) zugelassen.

Wann ist SIL Pflicht?

Ist ein MSR-Signal innerhalb der (Ex-)Anlagenstruktur Bestandteil der Sicherheitsfunktion, muss der Anlagenbetreiber eine Qualifizierung der Signalübertragung hinsichtlich der Verfügbarkeit und Qualität nach IEC/EN 61508 oder IEC/EN 61511 durchführen. Die Geräte der Baureihe MACX Analog (Ex) sind daher gemäß IEC/EN 61508 entwickelt, aus diesem Grund können sie für sicherheitsgerichtete Funktionen bis SIL 2 und teilweise SIL 3 verwendet werden. Müssen höhere Leistungen oder Ströme sicher geschaltet werden, die in Ex-Anwendungen in Zündschutzart Ex d/e ausgeführt sind, steht mit den PSR-Sicherheitsrelais ein umfangreiches Programm zur Verfügung, das speziell für Anwendungen nach IEC/EN 61508/61511 bis SIL 3 konzipiert und zertifiziert wurde. Angepasst an die relevanten sicherheitsgerichteten Prozessleitsysteme und Steuerungen erlauben die Sicherheitsrelais das Umsetzen von vielfältigen Lösungen von ESD- (Emergency Shut Down) bis zu F&G (Fire & Gas)-Anwendungen. Eigenschaften und Funktionen wie zwangsgeführte Kontakte oder die Line und Load Detection sorgen für eine umfassende Diagnose sowie eine hohe Verfügbarkeit.

Modulare Installation möglich

In der Interface-Ebene kommen verschiedene Geräte-Bauformen zum Einsatz. Ex-i-Trennverstärker in Tragschienen-Gehäusen sind verbreitet und werden in unterschiedlichen Applikationen genutzt. Die überwiegend ein- oder zweikanaligen Geräte, die für zahlreiche Funktionen erhältlich sind, ermöglichen flexible, modulare Installationen. Moderne Tragschienen-Geräte bieten neben einer geringen Baubreite Eigenschaften wie eine steckbare Anschlusstechnik. Modulare Varianten werden typischerweise einzeln mit den jeweiligen I/O-Karten verdrahtet.
Zur Regelung und Überwachung komplexer chemischer und petrochemischer Anlagen müssen große Signalmengen sicher sowie mit einem übersichtlichen Aufbau platzsparend verarbeitet werden. Werden hier einzeln zu verdrahtende Techniken angewendet, kann insbesondere bei vielen Signalen ein erhöhter Installations- und Inbetriebnahmeaufwand entstehen. Um diesen Aufwand zu minimieren, stehen Interface-Lösungen in Motherboard- oder Backplane-Technik zur Verfügung. Das neue Termination-Carrier-Konzept basiert hingegen auf einem eigens für diesen Anwendungszweck entwickelten Aluminium-Profil mit integrierter Tragschienenkontur zur Aufnahme verschiedener Standard-Interfaces. Im Gegensatz zu Motherboard-Lösungen ist die Termination-Leiterplatte mechanisch von den Interface-Modulen entkoppelt und geschützt in das Profil eingebaut. Die mechanische Entkopplung verhindert Leiterbahnen-Brüche, so dass das Termination-Carrier-Konzept vibrationssicher bis 2 g nach IEC 60068-2-6 sowie schockfest bis 15 g gemäß IEC 60068-2-27 ist. Integrierte Schraub-Krallen ermöglichen die stabile Montage des Termination Carriers auf allen gängigen DIN-Tragschienen.

Für eine hohe Anlagenverfügbarkeit sorgen

Das rasterfrei ablängbare Profilgehäuse gestattet eine optimale Anpassung an die gewünschte I/O-Zahl sowie die Baubreite des eingesetzten Interface-Gerätetyps. Alle Systemanschlüsse befinden sich platzsparend auf der Steuerungsseite. Somit wird das Längenmaß auf der Schaltschrank-Tragschiene lediglich von der Gehäusebreite der verwendeten DIN-Schienengeräte bestimmt. Die Packungsdichte im Schaltschrank ergibt sich neben dem Längen- durch das Breitenmaß. Mit nur 170 mm Breite erlauben die Termination Carrier hier einen übersichtlichen und wartungsfreundlichen Aufbau auch in Standard-Schränken, die eine Baubreite von 800 mm und Abstände von weniger als 200 mm zwischen den Kabelkanälen aufweisen. Auf einer Fläche von 700 bis 1.200 mm können bei Einsatz des Termination Carriers und zweikanaligen MACX MCR-Ex-Geräten beispielsweise bis zu 384 Ex-i-Signale integriert werden.

Ein wartungsfreundlicher Aufbau der installierten Geräte trägt ebenfalls zu einer hohen Anlagenverfügbarkeit bei. Deshalb sind beim Termination-Carrier-Konzept sämtliche Klemmstellen inklusive der eingebauten Prüfbuchsen gut zugänglich. Sie werden über steckbare und codierte Kabelsätze mit eindeutiger Zuordnung schnell und sicher an die Termination-Platine angekoppelt. Die Elektronik für die redundante, diodenentkoppelte Einspeisung der Versorgungsspannung sowie für Fehlermeldungen befindet sich im Einspeisemodul, das über Tragschienen-Connectoren mit den Trennern verbunden ist. Die Termination-Leiterplatte verfügt also nicht über aktive Bauteile, deren Ausfall den Tausch des gesamten Modulträgers erfordern würde.

Verringerter Engineering- und Inbetriebnahmeaufwand

Da Standard-Tragschienengeräte auf den Termination Carrier adaptiert werden, ist sowohl für Systemanwendungen als auch für die in fast allen Anlagen vorkommenden Einzelanwendungen lediglich ein Gerätetyp je Funktion notwendig. Daraus resultiert ein deutlich verringerter Aufwand für das Engineering und die Dokumentation – insbesondere dann, wenn es sich um SIL-Anwendungen handelt. In Kombination mit vorkonfektionierten und geprüften Systemkabeln reduziert das Termination-Carrier-Konzept die Montagezeit sowie die oft mühsame Fehlersuche bei der Inbetriebnahme erheblich, sodass sich beispielsweise der Factory Acceptance Test (FAT) kompletter Schaltschränke vereinfacht. Das Systemverkablungs-Programm Varioface bietet hier Lösungen für die E/A-Karten verschiedener Leitsysteme. Die steuerungsseitigen Steckverbinder wurden dabei optimal an das jeweilige Karten-Design angepasst. In Verbindung mit dem Termination Carrier erhält der Anwender somit eine durchgängige und effiziente Plug&Play-Lösung von der Signalaufbereitungs-Ebene bis zum Leitsystem.n

Heftausgabe: August 2012
Heinrich Käuper, Produktmanager Analog Ex, Phoenix Contact

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Heinrich Käuper, Produktmanager Analog Ex, Phoenix Contact
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