Signale in Reinkultur

Trennverstärker für analoge Feldgeräte

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07.11.2017 In Prozessanlagen leiden analoge Signale oft unter elektromagnetischen Einflüssen. Auch Potenzialdifferenzen setzen den Signalen von Feldgeräten zu und können zum Beispiel Messwerte verfälschen. Um dem entgegenzuwirken, werden Trennverstärker eingesetzt.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Elektromagnetische und hochfrequente Störungen wirken sich insbesondere auf die kleinen Spannungen und Ströme von Sensoren im Feld aus.
  • Trennverstärker leisten einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Signalqualität.
  • Die wichtigsten Funktionen der Trennverstärker sind die galvanische Trennung, das Wandeln, Filtern und Verstärken von Signalen und die eigensichere Trennung von Stromkreisen.

Bild 1

1: Vom Schaltschrank bis ins Feld: Trennverstärker stehen für alle Verwendungszwecke zur Verfügung. Bild: Phoenix Contact

In der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR) spielt die störungsfreie Signalübertragung eine zentrale Rolle. Aufgrund der steigenden Zahl elektrisch betriebener Komponenten, einer zunehmenden Miniaturisierung und Packungsdichte der Geräte, der wachsenden Menge drahtloser Kommunikations- und Steuereinrichtungen sowie immer performanteren digitalen Systemen, die mit höheren Übertragungsfrequenzen arbeiten, treten in diesem Umfeld jedoch vermehrt elektromagnetische und hochfrequente Störungen auf. Diese wirken sich insbesondere auf die kleinen Spannungen und Ströme aus, die von den im Feld verbauten Sensoren geliefert werden. Berücksichtigt der Anwender derartige Störgrößen also nicht ausreichend, beeinträchtigt das eine fehlerfreie Signalübertragung und damit die Güte der in seiner Anlage gefertigten Produkte. Hier leisten Trennverstärker einen signifikanten Beitrag zur Erhöhung der Signalqualität. Phoenix Contact stellt daher ein entsprechendes Portfolio zur Verfügung, das sich aus verschiedenen Produktfamilien zusammensetzt: Von sehr kompakten Geräten über zertifizierte Trennverstärker (SIL2, SIL3 und PL d) bis zu Signaltrennern für eigensichere Stromkreise im Ex-Bereich (Bild 1).

Messwert-Darstellung flexibel anpassen

Zur Produktfamilie Field Analog gehören im weitesten Sinne alle Komponenten, die bis in die Feldebene eingesetzt werden können. Die neuen Prozessanzeigen vereinen dabei die Eigenschaften der klassischen Trennverstärker mit den Vorteilen flexibler Anzeigegeräte. Über ihren multifunktionalen Eingang lassen sich unterschiedliche Analogwerte – wie Strom, Spannung, Thermoelemente oder Widerstandsthermometer – erfassen. Falls erforderlich liefert der Eingang zudem die Speisespannung für den Sensor. Die beiden Relaisausgänge können für verschiedene Grenzwert-Schaltfunktionen genutzt werden, während das Signal über den Analogausgang an nachgelagerte Systeme weitergeleitet wird. Das flexibel einstellbare Display kann vielfältig angepasst werden. Die Messwertanzeige lässt sich nach Belieben skalieren und das Signal mit der gewünschten Einheit respektive Messstellen-Bezeichnung versenden.

Neben den multifunktionalen Geräten beinhaltet das Field-Analog-Portfolio schleifengespeiste Hart-fähige Prozessanzeigen. Sie beziehen ihre Energie aus dem 4…20-mA-Signalkreis, belasten diesen durch ihren niedrigen Spannungsabfall von weniger als 0,9 V aber kaum. Das ist gerade in Umgebungen mit explosionsfähiger Atmosphäre von entscheidender Bedeutung, weil die Energie hier zur Vermeidung einer Explosion begrenzt werden muss. Die Hart-fähige Anzeige ermöglicht ebenfalls eine flexible Anpassung der Messwert-Darstellung, damit die Daten skaliert sowie in der jeweils benötigten Einheit visualisiert werden können.

Da die Prozessanzeige als Hart-Master konzipiert ist, können Anwender die bisher nicht verwendeten Hart-Funktionen der Feldgeräte nutzen – denn jetzt lassen sich bis zu vier zusätzliche Messwerte via Hart-Protokoll auf dem Display darstellen. Sowohl die multifunktionalen als auch die Hart-fähigen Prozessanzeigen sind in Schutzart IP20 für den Schaltschrank sowie IP67 zur Feldinstallation erhältlich.

Erweiterte Diagnoseinformationen über Hart oder die Programmierschnittstelle

Über die neuen schleifengespeisten Temperaturtransmitter können darüber hinaus zwei Thermoelemente oder Widerstandssensoren verarbeitet und in ein skalierbares 4…20-mA- oder Hart-Signal umgewandelt werden. Die Mittelwertbildung, Vergleichen, Subtraktion oder Sensor-Backup geben dabei nur einen kleinen Ausschnitt aus den auswählbaren Funktionen wieder. Außerdem lassen sich bis zu vier beliebig einstellbare Werte via Hart-Protokoll an die nachfolgende Peripherie weiterleiten. Der Temperaturtransmitter zeichnet sich durch seine hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität aus.

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2: Mit der Produktfamilie Field Analog wird das Portfolio um multifunktionale Feldkomponenten erweitert. Bild: Phoenix Contact

Ferner bietet das Gerät über Hart oder die Programmierschnittstelle erweiterte Diagnosefunktionen. Weil die Hard- und Software des Transmitters gemäß IEC 61508 für die Sicherheitskategorie SIL2 und SIL3 entwickelt und zudem für den sicheren Betrieb im Ex-Bereich zertifiziert worden ist, erhöht das Gerät die Sicherheit und Verfügbarkeit der Anlage und minimiert somit das Anwenderrisiko. Der Temperaturtransmitter steht in zwei verschiedenen Bauformen zur Verfügung: einem für die Tragschienenmontage geeigneten Gehäuse sowie zum Einbau in einen Anschlusskopf Form B nach DIN 50446 (Bild 2).

Wirtschaftliche Umsetzung von funktionaler Sicherheit und Explosionsschutz

Eine der wichtigsten Aufgaben der produzierenden Industrie besteht darin, das Risiko der Gefährdung von Mensch und Umwelt zu reduzieren. Zu diesem Zweck sind internationale Standards wie die IEC 61511, IEC 61508 oder die EN ISO 13849 geschaffen worden. Noch komplizierter gestaltet sich die Situation, wenn neben der funktionalen Sicherheit der Explosionsschutz berücksichtigt oder der Sensor zusätzlich über den Signalkreis gespeist werden muss. In vielen Anwendungen erweist sich hier eine teure Sicherheitssteuerung als überdimensioniert, da lediglich wenige Signale sicherheitsgerichtet ausgelegt werden müssen. Für solche Einsatzbereiche wurde die Produktfamilie MACX Analog entwickelt (Bild 3).

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3: Die Trennverstärker MACX Analog bieten funktionale Sicherheit und maximalen Explosionsschutz. Bild: Phoenix Contact

Dabei handelt es sich um 12,5 mm schmale ein- und zweikanalige Signaltrenner für eigensichere Stromkreise bis in Zone 0 und Zone 20, die darüber hinaus die Übertragungsqualität analoger Signale durch die exakte Umsetzung, Trennung, Filterung und Verstärkung sichern und verbessern. Die Geräte werden einfach über die frontal angebrachten DIP-Schalter oder eine Bedien­einheit konfiguriert, wobei die kostenlose Software weitere Geräte- und Überwachungsfunktionen bietet. Status-LEDs sowie die Sammelfehlermeldung ermöglichen eine komfortable Diagnose im Störungsfall. Der Tragschienen-Busverbinder, auf den die MACX-Module aufgerastet werden, sorgt nicht nur für eine schnelle Energiebrückung, sondern erleichtert sowohl Verdrahtung und Systemerweiterung als auch einen Modultausch im laufenden Betrieb. Steckbare codierte Klemmen mit integrierten Prüfbuchsen tragen ebenfalls zum wartungsfreundlichen Aufbau bei. Da die Signaltrenner nur eine geringe Eigenerwärmung aufweisen, erreichen sie eine lange Lebensdauer. Varianten mit Weitbereichseingang lassen sich weltweit in allen Versorgungsnetzen verwenden.

Einfache Konfiguration per DIP-Schalter, Software oder App

Geht es um Applikationen ohne funktionale Sicherheit bis in die Ex-Zone 2, kommen die kompakten Trennverstärker der Produktfamilie Mini Analog Pro zum Einsatz. Moderne Schaltungstechnologie und eine hohe galvanische Trennung mit 3 kV Prüfspannung und 300 V Bemessungsisolationsspannung stellen die beste Signalqualität sicher. Die Geräte zeichnen sich ferner durch einen großen Betriebstemperaturbereich von -40 bis 70 °C sowie einen erweiterten Versorgungsspannungsbereich von 9,6 V DC bis 30 V DC aus. Einfach zugängliche Anschlusspunkte und steckbare Fastcon-Pro-Anschlussklemmen erlauben eine schnelle Installation, Inbetriebnahme und Wartung. Die Signal- und Versorgungskreise können mit der Trennfunktion unterbrochen werden. Außerdem lässt sich das Stromsignal im laufenden Betrieb messen, ohne die Stromschleife aufzutrennen. Aufgrund der großzügigen Beschriftungsflächen ist eine vollständige Schleifenkennzeichnung mit Standard-Markierungsmaterial möglich.

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4: Die hochkompakten Trennverstärker Mini Analog Pro können im Servicefall direkt vor Ort per App konfiguriert werden. Bild: Phoenix Contact

Zur einfachen Standard-Konfiguration sind die Mini-Analog-Pro-Trenner ebenso wie die MACX-Geräte mit einem DIP-Schalter ausgestattet. Über eine Stand-alone-Software erfolgen eine erweiterte Konfiguration sowie das Monitoring am PC. Da sämtliche Mini-Analog-Pro-Module über eine NFC-Schnittstelle zur drahtlosen Kommunikation verfügen, können sie im Servicefall direkt vor Ort mit der entsprechenden App konfiguriert werden. Über die App lassen sich darüber hinaus Modulinformationen und DIP-Schaltereinstellungen abrufen sowie die Prozessdaten der multifunktionalen Geräte überwachen (Bild 4).

Schnelle und fehlerfreie Signalanbindung

Das Trennverstärker-Portfolio wird durch eine intelligente Systemverkabelung ergänzt. Mit den Plug-and-Play-Lösungen können große Signalmengen aus dem Feld schnell und fehlerfrei an das Automatisierungssystem angebunden werden. Es stehen zwei verschiedene Konzepte zur Verfügung: Das Gateway für die Produktfamilie Mini Analog Pro integriert bis zu acht beliebige Feldsignale platzsparend sowie kanalweise galvanisch sicher getrennt in das industrielle Netzwerk, sodass sich die Verfügbarkeit der Applikation erhöht. Weil die Nutzung teurer signalspezifischer IO-Karten überflüssig wird, sinken die Verkabelungs- und Materialkosten deutlich. Derzeit gibt es die Gateways mit Anschlüssen für Modbus/TCP, Modbus/RTU und Profibus DP.

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5: Die Systemverkabelungslösung Termination Carrier nimmt die Module der Produktfamilien MAXC Analog und Mini Analog sowie der sicheren PSR-Koppelrelais auf. Bild: Phoenix Contact

Das Termination-Carrier-Konzept basiert auf einem eigens entwickelten und patentierten Aluminium-Profil mit eingebauter Tragschienenkontur zur Aufnahme der Module der Produktfamilien MAXC Analog und Mini Analog sowie der sicheren PSR-Koppelrelais. Im Gegensatz zu Motherboard-Lösungen ist die Termination-Leiterplatte mechanisch von den Interface-Modulen entkoppelt und geschützt in das Profil integriert. Die mechanische Entkopplung verhindert Leiterbahnen-Brüche, weshalb das Termination-Carrier-Konzept vibrationssicher bis 2 g sowie schockfest bis 15 g ist. Zudem ist der Platzbedarf gegenüber marktgängigen Lösungen bis zu 30 % geringer (Bild 5).

Zur Technik – Die Funktionen eines Trennverstärkers:

  • Galvanische Trennung – Die wichtigste Aufgabe eines Trennverstärkers ist die galvanische Trennung der Signale. Die Geräte von Phoenix Contact ermöglichen deshalb eine durchgängige Trennung von Ein- und Ausgang sowie Versorgung. So werden Erdstromschleifen bei Potenzialdifferenzen vermieden, die zu einer Verfälschung der gemessenen Prozesswerte führen würden.
  • Signale wandeln – Ein Vorteil der Signalwandlung liegt in der Anpassung der vom Sensor gelieferten Signale, die sonst nicht von der Steuerung verarbeitet werden können. Trennverstärker ändern beispielsweise PT100-Widerstände in Normsignale. Außerdem transformieren Drei-Wege-Trennverstärker störempfindliche 0…10-V-Signale in 0…20-mA-Stromsignale, die mit höherer Leistung übertragen werden.
  • Signale verstärken – Signale müssen immer dann verstärkt werden, wenn große Leitungslängen zu überwinden oder hohe Lasten zu treiben sind. Trennverstärker stellen hier bei geringer Eingangs- eine hohe Ausgangsleistung bereit.
  • Signale filtern – In Industrieumgebungen treten oftmals Störungen durch hochfrequente Signale auf. Die Eingangsfilter der Trennverstärker filtern daher solche Störsignale zuverlässig heraus.
  • Stromkreise eigensicher trennen – In Bereichen, in denen sich eine explosionsfähige Atmosphäre einstellen kann, sorgen die eigensicheren MACX Analog-Trennverstärker für die Separierung von normalen und eigensicheren Stromkreisen. Dabei begrenzen sie die eingeführte Energie, um eine Zündung der Atmosphäre zu verhindern.

SPS IPC Drives 2017 Halle 9 – 310

Heftausgabe: November 2017
Manuel Ungermann, Produktmarketing Interface Analog, Phoenix Contact  Electronics

Über den Autor

Manuel Ungermann, Produktmarketing Interface Analog, Phoenix Contact Electronics
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