Der Schlauch als Schalter

Dr.-Ing. T. Gottschalk

Schlauchleitungen sind wesentlich flexibler einzusetzen und zu verlegen als starre Rohrleitungen. Mit der Steigerung der Flexibilität nimmt allerdings auch die Wahrscheinlichkeit einer Fehlschaltung zu. In Deutschland unterliegen Ab- oder Umfülleinrichtungen in Chemiebetrieben diversen gesetzlichen Auflagen durch das BImschG, WHG oder GSG. Um dem Rechnung zu tragen, ist es wichtig, die Schläuche in das beim Betreiber vorhandene Informationssystem einzubinden, damit sich Sicherheitssysteme automatisch schalten lassen.

Für die Chemieindustrie gab es hierfür bisher kein schlüssiges Gesamtkonzept. Zumeist wurden individuelle und stark kundenspezifische Lösungen bei Schlauchrangierungen erstellt. Schlauchrangierungen sind Bereiche, in denen der Schlauch benutzt wird, um Medien nach Vorgaben an verschiedene Verbraucher zu verteilen. Das Schalterprinzip gibt Auskunft darüber, welche Quelle mit welchem Verbraucher verbunden ist. Im Bereich der Abfülltechnik rund um das Tankfahrzeug oder den Kesselwagen fehlen aber derartige Ansätze.

Die standardisierten Schlauchkupplungssysteme Cosy(T) und Cosy(S) eignen sich für Maßnahmen wie Abfüllschlauchsicherung, elektrische Kodierung oder Verbindungsmeldung. Der Schlauch beeinflusst damit als Schalter beispielsweise das Anlaufen von Pumpen oder das Öffnen und Schließen von Ventilen.

Die Rohrleitungsenden, zwischen denen der Schlauch gekuppelt ist, werden elektrisch von der Rohrleitung isoliert, um sie von der Masse zu entkoppeln. Eine erzeugte Spannung zwischen beiden Rohrleitungsenden schließt einen Stromkreis. Ein darin integrierter Verbraucher, beispielsweise ein Relais, reagiert, wenn der Schlauch gekuppelt ist. Das Isolieren des Schlauches von der Rohrleitung erfolgt in der Praxis über eine elektrische Bürde. Sie errichtet einen Widerstand zwischen Rohrleitungsende und Rohr, der klein genug ist, um eine Ableitung einer möglichen elektrostatischen Aufladung zu gewährleisten.

Allerdings erschweren die elektrischen Bedingungen in der Chemie und die sehr unterschiedlichen anwenderspezifischen Installationen diesen einfachen Ansatz. Elektrisch leitfähige Chemikalien überbrücken die Entkopplung zur Masse. Die Folge: der Stromkreis baut sich nicht mehr auf. Zusätzlich herrscht bei chemischen Anwendungen meist Explosionsgefahr, so dass ex-taugliche elektrische Bausteine erforderlich sind. Die Bürde muss daher so reagieren, dass der Stromkreis weitestgehend erhalten bleibt (Abb. 1).

Cosy wurde speziell für die Bedingen in der Chemie entwickelt. Ein Controller auf Mikroprozessorbasis übernimmt die Erkennung, ob bei erforderlicher Gerätesicherheit und -intaktheit ein Schlauch gekuppelt ist (Abb. 2). Prinzip ist die Überwachung der elektrischen Änderungen an der Bürde, die auch einen gekuppelten Schlauch anzeigen. Der Controller ist deswegen auch im eigensicheren Bereich platziert. Mikroprozessoren benötigen wenig Energie, so dass eine eigensichere Versorgung bis zur Kategorie Ex ia IIC ausreicht. Als Ausgabe zeigt er pro Bürde zwei mögliche Varianten an. Die Varianten sind fehlende oder intakte Betriebsbereitschaft sowie ge- oder entkuppelter Schlauch.

Die Übertragung von Energie und Information zwischen eigensicherem und nicht eigensicherem Bereich erfolgt über einen Speisetrenner und Trennverstärker. Der Speisetrenner versorgt den Controller. Die vom Controller kommenden schwachen Signale werden von Trennverstärkern umgesetzt, die zusätzlich die Signale mit Hilfe von Transistorausgängen an die kundenseitigen Spannungspegel anpassen. Pro Flansch wird lediglich ein einadriges Kabel zu der Steuerung geführt. Dieses gilt gleichermaßen für Rangierungen und Abfüllsysteme.

Für Abfüllvorgänge im Bereich des Tankfahrzeuges oder des Kesselwagens ist Cosy(T) zuständig. Besonderheit an diesem System ist die lediglich anlagenseitig auszuführende elektrische Bürde. Fahrzeugseitig sind keinerlei Änderungen vorzunehmen und trotzdem lassen sich beispielsweise Medienschlauch, Gaspendelung und das Massekabel überwachen. Der Steuerstrom schließt sich über den Schlauch und das mit dem Fahrzeug verbundene Massekabel oder über beide gekuppelten Schläuche. Die Flexibilität einer Rangierung lässt sich aber mit dieser Anlage nur dann erreichen, wenn auch die Flansche der Fahrzeugseite zu einer Bürde umgerüstet werden.

Cosy verarbeitet intern eine Vielfalt von Informationen, um geräteseitige Fehler erkennen zu können. Ein wesentlicher Bestandteil ist das sichere Erkennen des gekuppelten Schlauches vor dem Hintergrund der beschriebenen schwierigen Umgebungsbedingungen. Im Wesentlichen bestimmen vier Signale die Kommunikation (Tab.). Diese sind die Anzeige Betriebsbereitschaft, die Anzeige ob Medienschlauch und Massekabel gekuppelt sind, die Anzeige ob Gaspendelschlauch und Massekabel gekuppelt sind sowie die Anzeige ob das Massekabel fehlt. Diese Signale bieten die Voraussetzung, die gesamte Überwachungsanlage entsprechend den gesetzlichen Anforderungen auszurichten. Mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung lassen sich neben den vier Signalen annähernd beliebig viele Signale zusätzlich verwalten. Die SPS und konfigurierte Bus-Systeme bieten darüber hinaus zusätzlich die Möglichkeit das Cosy-System in das Netzwerk des Leitsystems zu integrieren.

Die hohe Taktrate des Controllers lässt eine quasi prozessparallele Verarbeitung des Kuppelereignisses zu. Am Ausgang der Trennschalter liegt das Signal alle 300 ms an. Es ist aber besser, zur Weiterverarbeitung die Signale zu verzögern, da häufig vor dem endgültigen Kuppeln elektrischer Kontakt mit dem anzukuppelnden Element besteht. Ein Flackern an den digitalen Ausgangssignalen ist die Folge. Daher ist eine Totzeit von mindestens 500 ms einzuhalten.

Für die Interpretation der Signale wird eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) eingesetzt. Neben den vier Signalen ist der Anwender frei, beliebig viele Signale zusätzlich zu verwalten. Das sind beispielsweise Notausschaltung, Freischalten der Be- und Entladung durch Knopfdruck, Totmannschaltung oder Anlaufen der Pumpen durch Freigabesignale.

Die Grundeinheit von Cosy(T) ohne SPS ist auf einer rund 200 x 200mm großen Grundplatte aufgebaut, die über Schrauben oder über Hutschienenklemmen im Steuerschrank befestigt werden kann. Im unteren Bereich befinden sich Anschlussblöcke, die die Schnittstelle für anwendereigene Realisierungen darstellen. Die Belegung ist unterteilt in die Schnittstelle im Nicht-Ex-Bereich und in den Anschlusssockel für die Verlegung der Kabel zu der Bürde, die sich am Flansch der Rohrleitung befindet.

Halle 8.0, Stand A14-A15

E cav 258

Das System ist eigensicher nach Ex ia IIC. Gemäß den spezifizierten Bedingungen liegt der maximale Kurzschlussstrom bei 89 mA direkt an der Bürde und 2×26,8 mA zur Bürde galvanisch getrennt, aber noch im eigensicheren Bereich im Schaltschrank. Durch die erforderliche Versorgung des Controllers liegt die maximale äußere Kapazität bei 47,4 nF und die maximale äußere Induktivität bei 1,4mH, wenn das System in der Zone IIC eingesetzt werden soll. Die innere Kapazität liegt bei 11 nF, die innere Induktivität ist vernachlässigbar. Gemäß den allgemeinen Ex-Raum Bedingungen besitzt auch dieser Aufbau eine Isolierspannung von 500 V nach VDE 0110 der Gruppe 3 zwischen Hilfsenergie, dem Eingang oder dem Ausgang. Auch die Prüfspannung liegt im geforderten Bereich bei 4 kV zwischen Hilfsenergie und Eingang oder Ausgang.

Da das System für einen Einbau in einem Steuerschrank vorgesehen ist liegt die Umgebungstemperatur zwischen -10 bis 55 °C. Auch die Gehäuse aus Makrolon mit der Schutzart IP 20 und die einzelnen Komponenten sind auf der Grundplatte mit Hutschienen befestigt.