Sicher, wenn es drauf ankommt

SIL3-Koppelrelais verbindet Safety-Steuerung mit der Aktorik

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08.06.2012 Neben der sicherheitsgerichteten Unterbrechung von Stromkreisen gewinnt das sichere Einschalten immer mehr an Bedeutung. Insbesondere die Prozessindustrie setzt entsprechende Module zur galvanischen Trennung der Aktorik sowie Leistungs-anpassung ein. Vor diesem Hintergrund bietet Phoenix Contact mit dem PSR-ETP ein speziell für diesen Bereich entwickeltes und gemäß SIL3 zertifiziertes Koppelrelais an.

Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Ein Filterelement des Relais, das Prüfimpulse aus dem Ansteuersignal herausfiltert, wirkt einer Bewegung des Ankers und damit Verschleiß entgegen.
  • Das Relais ist auf fehlersichere Steuerungen abgestimmt und erfüllt SIL3 gemäß IEC 61508 sowie IEC 61511.
  • Die Spule bleibt bis zur Anforderung unbestromt, was in geringer Eigenwärme sowie Energieersparnis resultiert.
  • Die vollautomatische Fertigung verringert Verschmutzungen des Relais-Innenraums.

In einer typischen Anwendung steuert ein digitaler Ausgang ein Signalhorn an, das die Mitarbeiter im Gefahrenfall akustisch warnt. Da die Stromaufnahme des Signalhorns die maximale Strombelastbarkeit des Ausgangs übersteigt, ist ein Koppelrelais zwischengeschaltet. In der so entstehenden Sicherheitskette muss der Anwender alle drei Komponenten betrachten respektive bewerten. Gleichzeitig sind die technischen Besonderheiten eines sicheren Steuerungs­ausgangs zu berücksichtigen. Dazu gehören beispielsweise die Stromüberwachung sowie zyklische Prüfimpulse.

Filterelement ermöglicht lange Nutzungsdauer

Sichere Steuerungen können ihre Ausgänge oder die vorhandene Verdrahtung häufig selbst dynamisch testen. Zu diesem Zweck setzt das System das Signal bei einem eingeschalteten Ausgang kurzzeitig – beispielsweise für zwei Millisekunden – von „High“ auf „Low“ und anschließend zurück. Ist der Ausgang ausgeschaltet, erfolgt die Prüfung in umgekehrter Reihenfolge. Für die angeschlossene Last – beispielsweise ein sicheres Koppelrelais – bedeutet dies eine kurze Spannungsunterbrechung respektive einen kurzen Spannungsimpuls, auf den das Gerät nicht mit einem Schaltvorgang reagieren darf. Kurze Impulse dieser Art führen in einem Relais nicht zwangsläufig zum Öffnen oder Schließen des Kontakts, es kommt aber zu einer Vorerregung oder Entregung der Spule. Dies kann bis zu einer Bewegung des Ankers reichen, was in einem vorzeitigen Verschleiß und somit Ausfall des Relais resultiert. Ein Filterelement, das die Prüfimpulse aus dem Ansteuersignal herausfiltert, wirkt diesem Effekt entgegen. Dies beugt einem Verkürzen der Nutzungsdauer des Koppelrelais vor.

Regelschaltung passt die Stromaufnahme an

Die Möglichkeit der Kurzschluss- und Leitungsbruchüberwachung stellt eine weitere Besonderheit der Ausgänge von sicheren Steuerungen dar. Deshalb muss sich die Stromaufnahme der geschalteten Last in einem relativ engen Bereich bewegen. Sie darf einerseits einen Mindestwert nicht unterschreiten, was das System als Leistungsbruch detektiert.

Andererseits löst das Überschreiten des Maximalwertes die Kurzschlusserkennung aus. Insbesondere im Einschaltmoment ist es daher wichtig, Stromspitzen zu vermeiden. Für einen solchen Anwendungsfall eignet sich eine interne Schaltung, die den Strom konstant auf einen Wert regelt, der sich im benötigten Fenster zwischen Mindest- und Maximalwert befindet. Das Koppelrelais ist speziell auf fehlersichere Steuerungen in der Prozesstechnik abgestimmt und erfüllt alle Anforderungen für die Nutzung in Applikationen bis SIL3 gemäß IEC 61508 sowie IEC 61511. Das Gerät verfügt intern über sechs Kontakte, die sowohl parallel als auch in Reihe geschaltet sind. Die so entstehende Redundanz ist ein wichtiger Aspekt zur Erreichung der erforderlichen Sicherheit. Der eingebaute Prüfimpulsfilter sowie die Regelschaltung tragen den spezifischen Anforderungen einer sicheren Steuerung Rechnung.

Sorgfältige Auswahl der Komponenten

Das Unternehmen hat bei der Entwicklung des Relais Augenmerk auf die Auswahl der verbauten Komponenten gelegt. Denn anders als beim sicheren Ausschalten ist zu beachten, dass die Kontakte bei Fire&Gas-Anwendungen häufig über mehrere Jahren im geöffneten Zustand verbleiben, bevor sie das erste Mal schließen müssen. Folglich sind bei der Auswahl geeigneter Relais und der Annahme möglicher Fehler auch andere Aspekte zu betrachten, als im Fall des sicherheitsgerichteten Ausschaltens. Ein Kriterium ist in diesem Zusammenhang der Reibweg der Kontakte. Dieser ist vorteilhaft, um potentielle Beläge von den Kontaktoberflächen zu entfernen und dadurch im Gefahrenfall eine leitende Verbindung herzustellen. Um das Entstehen eines Belags bereits im Vorfeld zu minimieren, muss der Hersteller ausgasungsarme Materialien einsetzen. Hier macht sich positiv bemerkbar, dass der Schließer des Relais die sichere Funktion ausübt, weil die Relaisspule bis zur Anforderung unbestromt bleibt. Dies bedingt eine geringere Eigenerwärmung des Relais sowie eine Energieersparnis. Als weiterer Faktor ist eine vollautomatische Fertigung der Relais zu nennen. Justiert der Hersteller die Kontakte nicht manuell, trägt dies zu einer geringeren Verschmutzung des Relais-Innenraums durch Fremdpartikel bei. Da sich jedes Relais durch andere Stärken auszeichnet, hat der Automatisierer neben der Redundanz auf die Diversität geachtet. Die Kombination aus Relais und anwendungsspezifischem Design ist die beste Voraussetzung für ein hohes Maß an Sicherheit und Verfügbarkeit.

Line/Load Monitoring senkt Installationsaufwand

Das lastabhängige konfigurierbare sowie optional zuschaltbare Line/Load Monitoring ermöglicht eine durchgängige Diagnose von der Steuerung bis zum Aktor: Eine Verdrahtung zwischen dem digitalen Ausgang und dem Koppelmodul meldet einen Drahtbruch oder eine fehlende respektive falsche Last. Auf diese Weise entfallen ein zusätzlicher Installationsaufwand sowie weitere benötigte digitale Eingänge zum Rücklesen der Aktorik. Verdrahtungsfehler sind immer wieder Ursache für eine aufwändige und zeitraubende Fehlersuche während der Inbetriebnahme von Anlagen oder Anlagenteilen. Aus diesem Grund spielt die Systemverkabelung im Rahmen von ganzheitlichen Lösungen eine wachsende Rolle. Der wahlweise vorverdrahtete Termination Carrier kombiniert deshalb die Vorteile modularer Tragschienen-Geräte mit den Vorzügen der Plug&Play-Schnellverkabelung zu einem durchgehenden Konzept für die Systemtechnik. Die mechanisch entkoppelte Platine des Termination Carriers stellt zudem eine diodenentkoppelte Spannungseinspeisung zur Verfügung. Darüber hinaus gibt es ein Relais, das einen potentialfreien Kontakt zur Meldung einer fehlerhaften Spannungsversorgung umfasst. Zur einfachen Loop-Berechnung, Projektierung sowie zur Anfertigung der Dokumentation bietet das Koppelrelais ferner sämtliche relevanten Kennwerte und Zertifikate an. 

Achema 2012 Halle 11.1 – A27

Heftausgabe: Juni 2012
Wolfgang Boll

Über den Autor

Wolfgang Boll

Wolfgang Boll, Produktmarketing Safety bei Phoenix Contact

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