Schmalere Form, ungeschmälerte Sicherheit

SIL-zertifizierte Koppelrelais

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03.07.2018 In fast jeder prozesstechnischen Anlage ist die galvanische Trennung und Leistungsverstärkung der digitalen Ausgangssignale sicherer Steuerungen ein Thema. Neue Koppelrelais sind nicht nur besonders schmal, sondern erfüllen auch die speziellen Anforderungen der Chemiebranche.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Der Platzbedarf ist in Anwendungen der Prozessindustrie eine wichtige Größe. Viele Betreiber benötigen daher SIL3-zertifizierte Koppelrelais in kompakterer Bauform.
  • Eine neu entwickelte Produktfamilie von Koppelrelais erreicht durch die erfolgreiche Miniaturisierung bei gleichen Leistungsdaten des zwangsgeführten Elementarrelais nun besonders schmale Baubreiten.
  • Die Koppelrelais erfüllen die speziellen Anforderungen der Chemiebranche – unter anderem hinsichtlich der Nutzung in Ex-Bereichen sowie der schnellen Inbetriebnahme.

Titelmotiv verkleinert

Die neu entwickelten Koppelrelais lassen sich auch unter besonderen Umgebungsbedingungen einsetzen – etwa in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 2. Bilder: Phoenix Contact

Die galvanische Trennung und Leistungsverstärkung findet in der Regel über die sogenannte Koppel- oder Marshalling-Ebene statt. Um die dort verbauten Module richtig auszuwählen, sind verschiedene Kriterien zu beachten. Nicht nur müssen die technischen Daten und die benötigten Diagnosefunktionen berücksichtigt werden, es ist auch darauf zu achten, dass das Gerät bestimmungsgemäß verwendet wird. Außerdem müssen bestimmte Normen eingehalten sowie unter Umständen besondere Umgebungsbedingungen einbezogen werden. In vielen Projekten spielt zudem der notwendige Platzbedarf eine wesentliche Rolle. Um den unterschiedlichen Anforderungen der prozesstechnischen Applikationen gerecht werden zu können, hat Phoenix Contact mit PSR-mini eine eigene Produktfamilie entwickelt, die aus SIL-zertifizierten Koppelmodulen für genau diesen Einsatzbereich besteht.

Platzersparnis bis zu 70 %

Platz und Zeit sind stets knapp bemessen und spielen bei der Planung und Projektierung von industriellen Anwendungen eine große Rolle. Insbesondere in der Prozessindustrie finden sich häufig Applikationen mit einer relativ hohen Kanaldichte, weshalb zahlreiche Anlagenbetreiber SIL3-zertifizierte Koppelrelais in schmalerer Bauform fordern. Voraussetzung für die Entwicklung der neuen Koppelrelais-Familie war die erfolgreiche Miniaturisierung des zwangsgeführten Elementarrelais, welches von der Baugröße das limitierende Element darstellte. Obwohl das entwickelte Elementarrelais nun eine Baubreite von lediglich 6 mm aufweist, verfügt es über die gleichen Leistungsdaten wie klassische Elementarrelais mit Zwangsführung. So ist der Schließerkontakt für einen maximalen Dauerstrom von 6 A ausgelegt, sodass sich auch hohe Lasten zuverlässig schalten lassen. Der optimiert gestaltete Lastkontakt sorgt darüber hinaus für eine hohe Kurzschlussfestigkeit, während das patentierte Funktionsprinzip des Antriebssystems die Leistungsaufnahme verringert.

Nutzung in Ex-Zone 2 und korrosiven Atmosphären

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Die in der Produktfamilie eingesetzten Elementarrelais kommen mit einer Baubreite von lediglich 6 mm aus.

Großen Wert hat das Entwicklungsteam außerdem auf die Zuverlässigkeit des Elementarrelais gelegt. Daher stellt eine robuste Stahlfeder die konstante Kontaktkraft über die gesamte Lebensdauer sicher. Das symmetrisch aufgebaute Magnetsystem erweist sich als robust gegenüber mechanischer Beanspruchung. Der redundant konzipierte Diagnosekontakt trägt ebenfalls zu einer hohen Zuverlässigkeit bei. Darüber hinaus hält das Relais die Iecex- und Atex-Richtlinien für den Ex-Bereich der Zone 2 ein.

Insbesondere in der Prozessindustrie treten oftmals weitere anspruchsvolle Um-gebungsbedingungen auf. Die Relais sind G3-konform gemäß ISA S71.04-1985 und lassen sich damit in besonders korrosiven Atmosphären verwenden. Dafür sorgt ein gut abgestimmtes Leiterplattendesign in Verbindung mit einem sorgfältig aufgetragenen Schutzlack. Die Relais sind zudem nach IEC 61508 und IEC 61511 zertifiziert.

Sicherheitsgerichtetes Ein- und Ausschalten von Stromkreisen

Sichere Systeme (Safety Instrumented Systems – SIS) erfüllen verschiedene Sicherheitsfunktionen. Neben dem bestimmungemäßen Einsatz zum sicheren Abschalten (Emergency Shut Down) kommt immer öfter die Frage des sicherheitsgerichteten Einschaltens (Fire & Gas) eines Feldgeräts auf. Beide Funktionen bedingen eine spezielle, eigenständige Struktur sowie Auswahl der Bauteile, die sich grundlegend von den jeweils anderen unterscheiden. Insbesondere bei Applikationen, in denen es um das sicherheitsgerichtete Unterbrechen von Stromkreisen geht, kommen die zwangsgeführten Elementarrelais ins Spiel. Die Besonderheit der Zwangsführung gemäß EN 50205 liegt darin, dass der Öffner und der Schließer eines Relais zu keiner Gelegenheit zeitgleich geschlossen sein dürfen. Das wird über eine mechanische Verbindung der Kontakte – die sogenannte Zwangsführung – erreicht und greift auch im Fall eines verschweißten Kontakts.

Nahtlose Diagnose von der Steuerung bis zum Aktor

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Der Platzbedarf der Sicherheitsrelais spielt in der Prozessindustrie eine besonders wichtige Rolle.

Im Zusammenhang mit sicheren Funktionen nimmt die Diagnose ebenfalls einen stetig größeren Stellenwert ein. Dies resultiert zum einen daraus, dass die normativ vorgeschriebene Funktionsprüfung der einzelnen Module häufig zeitaufwendig und zum anderen teilweise nur bedingt aussagekräftig ist.

Beispielsweise durch Testpulse oder eine Dauerstrommessung können sichere Steuerungen den Loop vom eigenen digitalen Ausgang bis zum Aktor überwachen. Sollte innerhalb des angeschlossenen Safety-Relais beispielsweise ein Lastkontakt verkleben, wird das über den zwangsgeführten Öffnerkontakt erkannt. In der Folge erhöht sich die Eingangsimpedanz so weit, dass die Erwartungshaltung der sicheren Steuerung nicht mehr erfüllt ist. Eine solche Art der Rückmeldung erspart dem Anwender rund 90 % an Arbeitsaufwand. Außerdem wird keine weitere Hardware in Form von zusätzlichen digitalen Eingängen benötigt. Je nach eingesetztem Gerät ist die Rückmeldung ferner sogar SIL-qualifiziert. Das bedeutet, dass in dem schmalen Modul zwei Funktionen miteinander kombiniert sind: die sichere Unterbrechung eines Stromkreises sowie die sichere Rückmeldung eines potenziellen Fehlers.

Bei Geräten zum sicheren Einschalten erweist es sich als besonders wichtig, eine durchgehende und ganzheitliche Diagnose bis zum Feldgerät sicherzustellen, da sie im Normalzustand in den meisten Fällen ausgeschaltet (de-energised) und somit lediglich im Notfall eingeschaltet (energised) sind. Der Begriff „ganzheitlich“ drückt dabei eine nahtlose Diagnose von der Steuerung bis zum Aktor aus. Dazu werden ein- und ausgangsseitig sowohl Drahtbruch als auch Kurzschluss der Lastspannungs- und Diagnosespannungsversorgung überwacht.

Schnelle Inbetriebnahme durch Einsatz eines Modulträgers

Bei der Inbetriebnahme von Anlagen bzw. Anlagenteilen kostet es oftmals viel Zeit, Verdrahtungsfehler zu beseitigen. Daher kann der Anwender die sicheren Koppelrelais mit dem passenden Termination Carrier kombinieren. Der Modulträger verbindet die Vorteile einer Plug&Play-Lösung mit den technischen Eigenschaften einer modularen Schaltgeräte-Technik zu einem effizienten Systemverkabelungs-Konzept. Auf der mechanisch entkoppelten Platine des Termination Carriers wird darüber hinaus eine diodenentkoppelte Spannungseinspeisung zur Verfügung gestellt. Ferner ist ein Relais vorhanden, das über einen potenzialfreien Kontakt eine fehlerhafte Spannungsversorgung melden kann.

Alternativ zum Termination Carrier steht auch das VIP-IO-Marshalling-Konzept zur Verfügung, das den Ansatz der stehenden Verdrahtung verfolgt. Wie beim Termination Carrier setzt sich das System aus zwei Teilen zusammen: dem Board sowie den jeweiligen Modulen. Sein Vorteil liegt darin, dass die bestehende Verdrahtung bei einem potenziellen Gerätetausch nicht mehr gelöst werden muss, weil das Modul ohne weitere Vorverdrahtung an den vorgesehenen Platz gesteckt wird. Eine entsprechende Kodierung verhindert dabei, dass das Modul verwechselt wird.

Hier gelangen Sie zu unserer Marktübersicht Geräte für PLT-Schutzfunktionen (SIL-Kreise).

Heftausgabe: Juli/2018
Wolfgang Boll,  Produktmarketing  Safety, Phoenix  Contact Electronics

Über den Autor

Wolfgang Boll, Produktmarketing Safety, Phoenix Contact Electronics
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