Sichere Signalübertragung

Thomas Berghoff, Dirk Schulze, Gerhard Wolff

Zur modernen Automatisierungstechnik, beispielsweise in Kläranlagen, gehört neben der Meßwerterfassung auch deren hochpräzise Übertragung sowie der Schutz gegen transiente Überspannungen, die Funktionsstörungen oder gar Nichtverfügbarkeit zur Folge haben können. Zudem kommt ein Teil der Meßsignale aus explosionsgefährdeten Bereichen. Daraus resultieren – in Übereinstimmung mit den geltenden Ex-Vorschriften – zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen und ein größerer Installationsaufwand.

Stetiger Kostendruck und steigende Anlagenkomplexität erfordern in der MSR-Technik flexible und innovative Automatisierungskonzepte. Von der Feldebene bis zur Steuerung bietet ein Unternehmen aus Blomberg durchgängige Systemlösungen für die parallele und serielle Signalübertragung an.

Ein großer Teil der in der Automatisierungstechnik vorkommenden Signale gehört in den Bereich der analogen Übertragungstechnik. Viele der im Feld befindlichen Sensoren und Aktoren kommunizieren mit der Steuerungsebene über normierte Analogsignale. Am häufigsten finden hier die Spannungswerte 0..10 V und die Stromsignale 0..20 mA bzw. 4..20 mA Anwendung. Bei der Erfassung von Prozeßparametern wie Druck, Füllstand, Durchflußmenge, Temperatur, Feuchte etc. und deren Umsetzung auf normierte Analogsignale muß für die weitere Signalübertragung sichergestellt sein, daß diese Normsignale störungsfrei und unverfälscht an die Meß-, Regelungs-und Protokollierungsgeräte übertragen werden. Eine unverfälschte Übertragung von Meßsignalen kann mit aktiven und passiven Trennwandlern erreicht werden, die eine Vielzahl von Aufgaben übernehmen. Dazu gehören u.a.:

• die galvanische Trennung der Signale zwischen Steuerung und Feld,

• die Signalfilterung von induktiven und kapazitiven Einkopplungen, die z.B. durch energietechnische Schalthandlungen (Frequenzumrichter) erzeugt werden,

• die Signalverstärkung bei aktiven Trennwandlern, um leistungsschwache Meßsignale bei langen Übertragungsstrecken unverfälscht übertragen zu können.

Neben diesen Merkmalen erwartet der Anwender bei einem guten Preis-Leistungsverhältnis der eingesetzten Geräte eine hohe Verfügbarkeit und Servicefreundlichkeit. Damit weder Platz verschwendet, noch unnötiger Montageaufwand erzeugt wird, hat dieses Unternehmen seine aktiven und passiven Trennwandler kompakt, schienenmontabel und anschlußfreundlich konzipiert. Die aktiven Drei-Wege-Trennverstärker MCR-C-…-DC für die drei gängigen Normsignale 0..10 V, 0..20 mA und 4..20 mA gibt es in neun verschiedenen Varianten. Alle Gerätevarianten sind nur 12,5 mm schmal (Abb. 1).

Neben den genannten Eigenschaften haben passive Trennwandler darüber hinaus den Vorteil, daß sie einfach in den vorhandenen Signalpfad integriert werden können. Mit diesen Modulen läßt sich nicht nur eine zusätzliche Spannungsversorgung einsparen, sondern auch eine äußerst platzsparende Anordnung realisieren. Bei den passiven Trennern MCR-1,2,4 CLP-I/I-00 ist es gelungen, die ein- und zweikanaligen Modulvarianten in 12,5 mm schmalen Gehäusen unterzubringen. Die vierkanaligen Trennervarianten befinden sich in einem nur 22,5 mm schmalen Gehäuse, so daß hier eine Kanalbreite von weniger als 5,7 mm erzielt wird. Selbst bei einer großen Anzahl von Kanälen kann über diese Packungsdichte viel Platz im Schaltschrank eingespart werden.

In umwelttechnischen Anlagen wie Faultürmen und Gasmotorräumen ist nicht nur die präzise Übertragung von Signalen wichtig. Die eingesetzten Geräte müssen auch den aktuellen Explosionsschutz-Forderungen genügen. Das Konzept Process-Interface, das speziell für diese Anlagen entwickelt wurde, besteht aus einer 12,4 mm schmalen Interfacetrennklemme (Basisklemme) sowie steckbaren, ebenfalls 12,4 mm schmalen Elektronikmodulen. Die Basisklemmen haben feldseitig für jede Leitung Prüfmöglichkeiten, die sich vor und hinter einer Messertrennung befinden. So läßt sich zu Diagnosezwecken ein Meßgerät problemlos in den Signalweg integrieren. Die Spannungsversorgung kann über Einlegebrücken schnell und sicher erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil des Konzepts ist die Möglichkeit der Vorverdrahtung, wobei die Basisklemme ohne die steckbare Elektronik direkt im Rangierschrank plaziert wird. Der entsprechende kodierbare Elektronikstecker wird erst später eingesetzt. Deshalb ist, wie bei herkömmlichen Anlagen auch, eine Reserve im Schaltschrank möglich.

Die Produktlinie Process-Interface wird nach den neuesten europäischen Richtlinien (ATEx 100a) zertifiziert. Für Nicht-Ex-Signale runden konfigurierbare analoge Trennverstärker, Speisetrenner und Namur-Schaltverstärker das Programm ab.

Von der Feldebene im Ex- und Nicht-Ex-Bereich, über dezentrale Intelligenz bis hin zur Leitebene verbindet das Interbussystem Steuerung und Feldgeräte einfach und einheitlich miteinander. Weltweit kommt der Interbus in mehr als 150000 Applikationen zum Einsatz. Das seit 1987 stabile Protokoll dieses Bussystems, seine Leistungsfähigkeit und die Offenheit zu anderen Steuerungen und Feldgeräten, machen es zum Standard in der Fertigungs- und Prozeßautomatisierung. Etwa 80% der weltweit eingesetzten SPSen können an den Interbus gekoppelt werden. Mehr als 2000 automatisierungstechnische Komponenten von über 700 Herstellern besitzen eine Interbus-Schnittstelle.

Vorteilhaft für den Anlagenbauer und -betreiber sind weiterhin die einfache Installation (Plug & Play) und die Diagnosemöglichkeiten der Bussysteme und Feldgeräte. Die umfassenden Diagnosemöglichkeiten erlauben eine präventive Wartung der Steuerungskomponenten und helfen so Havarien und damit verbundene Umweltschäden zu vermeiden.

In der Umgebung von elektrischen bzw. elektronischen Anlagenkomponenten treten häufig starke elektromagnetische Felder auf, die beispielsweise die Signalübertragung in Bussystemen stören können (EMV). So sind normale Kupferleitungen durch den hohen Störpegel oft überfordert. Hier stellen LWL-Verbindungen eine optimale Lösung dar. Mit diesen Polymerfaser-Kabeln kann der Anwender in jeder Umgebung schnell, einfach und preiswert eine Busverbindung realisieren.

Interbussysteme erfüllen die Forderungen nach hoher Verfügbarkeit (hot swopping der E/A-Module), redundantem Anlagenaufbau und nach Kommunikationsmöglichkeiten mit intelligenten Feldgeräten (Smartfähigkeit, HART-Protokoll). Dieses gilt auch für dezentrale, weitverzweigte Anlagen (bis zu 13 km) im Ex-Bereich (Zone 1), die mit dem Modul Interbus Process I/O ausgestattet sind.

Durch die Kombination von Open Control, der offenen Automatisierungslösung auf PC-basierenden Steuerungen mit der weltweit genormten Programmiersprache IEC 1131, mit Interbus und Process I/O entsteht ein praxisgerechtes und zukunftsorientiertes Automatisierungssystem für die Verfahrenstechnik.

Mit der Automatisierungs-Software PC Worx steht ein offenes Programmpaket zur Verfügung. Es besteht aus drei Modulen zur

• Parametrierung der I/O-Ebene

• Programmierung (IEC 1131) und

• Visualisierung unter Windows.

Alle drei Module arbeiten mit einer gemeinsamen Datenbasis, so daß ein paralleles Handling nicht mehr notwendig ist und Konfigurationskosten gesenkt werden können

Leitungsgeführt galvanisch, induktiv oder kapazitiv eingekoppelte transiente Überspannungen, die aus Schalthandlungen oder Blitzbeeinflussungen resultieren, können die elektrische Isolation von Systemkomponenten überbeanspruchen bzw. durchschlagen. Die Folge ist eine Zerstörung dieser Komponenten und gegebenenfalls eine Störung des Anlagenbetriebs. Deshalb ist es in komplexen Systemen Praxis geworden, systemkonforme Überspannungsableiter einzusetzen, die als „Sollbruchstellen“ eine Zerstörung von Geräten vermeiden und so die Verfügbarkeit des Systems optimieren.

Überspannungsableiter werden unmittelbar vor der zu schützenden Einrichtung installiert. Das in Abbildung 3 gezeigte Beispiel zeigt, daß sowohl die 230-V-Hilfsenergieversorgung als auch die 20-mA-Stromschleifen und die Leitungen zu den Meßsonden geschützt werden. Nur die komplette Einbeziehung aller Leitungswege, von denen ein Gefährdungspotential ausgehen könnte, garantiert einen Potentialausgleich aller Leitungswege untereinander auf Werte unterhalb der Spannungsfestigkeiten der zu schützenden Elektronik.

Ableiterkombinationen sind auf niederimpedantem Wege örtlich zu erden und fachgerecht in einen vorhandenen Potentialausgleich einzubeziehen. Weiterhin sind branchen- und anlagenspezifische Randbedingungen zu berücksichtigen.

In Anlagenteilen, die immer verfügbar sein müssen, sind Ableiterbauformen zu bevorzugen, die auch während des Betriebs ständig eine Wartung zulassen, ohne daß Signalkreise unterbrochen oder in anderer Weise in ihrer Impedanz beeinflußt werden. Solche steckbaren Ableiter lassen sich mit speziellen Testgeräten vor Ort auf Einhaltung technischer Eigenschaften überprüfen.

Für energietechnische Applikationen sind bevorzugt steckbare Ausführungen einzusetzen. Diese erlauben Wartungsarbeiten ohne Eingriff in die Installation. Bei einem Austausch der Ableiter ist dann keine Spannungsfreischaltung erforderlich; eine Betriebsunterbrechung wird vermieden und die Verfügbarkeit aufrecht erhalten.

Ergänzend zum Schutz der Peripherie sind zentrale Einrichtungen ebenfalls nach diesem Schutzkreiskonzept zu behandeln.

Halle 6, Stand 6A05

Weitere Informationen cav-271