Sicherheit auf ganzer Linie

Dipl.-Ing. Thomas Berghoff, Dirk Schulze, Dipl.-Ing. Frank Welzel

Moderne verfahrenstechnische Prozeßabläufe, z.B. in einer Kläranlage, werden von Steuerungsleitwarten erfaßt und überwacht. Dazu werden besonders die analogen Normsignale 0 bis 10 V, 0 bis 20 mA und 4 bis 20 mA entsprechend DIN IEC 381 eingesetzt. Diese Signale werden oft über weite Entfernungen von den einzelnen Sensoren und Aktoren zu den zentralen Steuerungsleitwarten übertragen. In der rauhen Umgebung einer verfahrenstechnischen Anlage unterliegen sie vielerlei Störgrößen. Beispielsweise erzeugen energietechnische Schalthandlungen (z. B. in einem Frequenzumrichter) Störungen, die als schmalbandige Frequenzen energiereich auf Leitungen eingekoppelt und weitergeleitet werden. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegen Störungen und Spannungsabfällen auf Leitungen eignen sich Spannungssignale deshalb nur eingeschränkt zur Übertragung über große Distanzen hinweg. Wesentlich unempfindlicher sind dagegen die eingeprägten Stromsignale 0(4) bis 20 mA. Störgrößen und Signalverfälschungen, verursacht beispielsweise durch Erdschleifen, die besonders in den großflächigen Aufbauten einer Kläranlage auftreten, können gerade bei diesen Stromsignalen einfach und kostengünstig durch galvanische Trennung vermieden bzw. gänzlich herausgefiltert werden. Die einfachste Methode diese galvanische Trennung zu realisieren, stellen Passiv-Trenner dar. Diese wandeln das DC-Eingangssignal (0(4) bis 20 mA) über eine Multivibrator-/Chopperschaltung in ein Wechselstromsignal, das auf einen Übertrager (galvanische Trennung) geführt und anschließend gleichgerichtet wird. Ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter eliminiert noch eventuell vorhandene Störspannungen.

Passiv-Trenner benötigen keine zusätzliche Hilfsspannung für die galvanische Trennung, da sie der Sensor in Form des analogen Stromsignals liefert, ohne dies aber zu verzerren. Neben einem Preisvorteil – die separate Spannungsversorgung entfällt – erreicht man mit dem Einsatz dieser Module eine Reduktion des Verdrahtungsaufwands und einen einfachen Aufbau der galvanischen Trennung, da Passiv-Trenner einfach in den vorhandenen Signalpfad eingeschleift werden können. Dieser Vorteil wird besonders beim Auftreten von Störungen während der Inbetriebnahmephase geschätzt. Mit diesen Modulen läßt sich nicht nur die Spannungsversorgung einsparen, sondern auch eine platzsparende Anordnung realisieren. Die ein- und zweikanaligen Modulvarianten MCR-1,2 CLP-I/I-00 sind in einem 12,5 mm schmalen Gehäuse integriert, der vierkanalige Trennwandler MCR-4 CLP-I/I-00 benötigt sogar nur 22,5 mm Breite. Dies bedeutet pro Kanal eine Breite von weniger als 5,7 mm. Selbst bei einer großen Anzahl von Kanälen kann über diese hohe Packungsdichte und der doppelstöckigen Klemmenanordnung viel Platz im Schaltschrank eingespart werden. Die modulare Bauweise der MCR-Passiv-Trenner ermöglicht es, Schaltschränke in prozeßtechnischen Anlagen einfach, flexibel und kostensenkend aufzubauen (Abb. 1).

Heutzutage ist das Thema Kostenreduzierung in aller Munde. Die Zeit zwischen Auftragsvergabe und Inbetriebnahme umwelttechnischer Anlagen verkürzt sich zusehends. Bei der dann folgenden Inbetriebnahme bedeutet jeder eingesparte Tag bares Geld. Als Planer oder Anlagenbauer heißt das, für den MSR-Part Technik einzusetzen, die preiswert, flexibel und einfach ist. D. h., keine Schaltschrankbatterien im MSR-Raum, keine komplexe Anlagendokumentation und keine aufwendige Feldverkabelung.

Von der Feldebene im Ex- und Nicht-Ex-Bereich über dezentrale Intelligenz bis zur Leitebene ist Interbus ein Bussystem, das Steuerungen, Remote-I/O-Systeme und Feldgeräte einfach und einheitlich miteinander verbindet. Ein schlankes Kabel verbindet bis zu 4096 E/A-Signale in einer Entfernung von bis zu 13 km mit fast allen SPS, PLS oder PC-basierten Steuerungen.

Ein seit 1987 stabiles Protokoll für alle Industriebranchen wie die Prozeß- und Fertigungsindustrie, die Umwelttechnik und die Versorgungswirtschaft, beweist die Flexibilität dieses Systems. Interbus ist europäisch genormt nach EN 50254. Für die Planungssicherheit ist von hoher Bedeutung, auch in Zukunft eine Technik einzusetzen, die der Standard der Prozeßautomatisierung ist.

Mit der Modulfamilie Interbus Inline wird der Weg konsequent weiter zur schaltschranklosen Automatisierungslösung beschritten. Direkt vor Ort, da, wo sich die Sensorik und Aktorik befinden, werden die E/A-Signale in einem kleinen Installationskasten eingelesen und digitalisiert über weite Entfernung zur Steuerung übertragen. In diesem Kasten stehen dem Anwender modulare Inline-Klemmen zur Verfügung. Durch einfaches und werkzeugloses Aneinanderreihen der einzelnen Klemmen werden die E/A-Module nebeneinander auf die Montageschiene gerastet, die tatsächlich auch benötigt werden, und in Blöcken zusammengefaßt. So lassen sich je nach Bedarf Funktionalitäten in der tatsächlich benötigten Anzahl, bis hin zu einkanaligen E/A-Modulen, zusammenstellen. Es werden ausschließlich die Komponenten eingekauft, die tatsächlich für die Anlage benötigt werden.

Die Querverdrahtung zwischen den Modulen entfällt. Die Verbindung geschieht durch Messer/Feder-Kontakt automatisch bei der Aneinanderreihung der Module. Dies reduziert die Fehlermöglichkeiten bei der Verdrahtung im Installationskasten drastisch. Bei späteren Erweiterungen können problemlos weitere Inline-Klemmen angereiht werden (Abb. 1).

Sollten bei der Übertragung der Signale aus dem Feld EMV-Störungen auftreten, besteht jederzeit, auch nachträglich, die Möglichkeit, das Kupferkabel gegen eine LWL-Verbindung zu tauschen, ohne daß die Anlage neu konfiguriert werden muß. Das gilt besonders bei der LWL-Verbindung Polymerfaser, die schnell, einfach und preiswert zu realisieren ist. Ganz gleich, welches Übertragungsmedium gewählt wird, die 13-km-Gesamtausdehnung bleibt erhalten, und das nicht nur als Linie, sondern auch in Stern-, Baum-, Stich- oder Ringstruktur. Dabei kann Interbus auch direkt in Ex-Zone 1 ohne Barriere oder Protokollumsetzer eingesetzt werden.

Dem weltweit immer stärker formulierten Wunsch nach Offenheit in der Steuerung trägt dieser Anbieter Rechnung. Seine Produktpalette, deren Hardware auf PC-Technologie basiert, bietet PC-Einsteckkarten für kleinste und mittlere Steuerungsaufgaben bis hin zu Controllern mit integrierter Ethernet-Schnittstelle zum Aufrasten auf eine Tragschiene. Mit der Software PC Worx steht ein Automatisierungspaket zur Verfügung, das von der Konfiguration des Interbus über die weltweit genormte Programmiersprache IEC 1131 bis zur Visualisierung unter Windows reicht. Damit gehört die herstellerspezifische und teure SPS der Vergangenheit an.

Derart komplexe Systeme bieten die notwendige Betriebssicherheit erst durch einen umfassenden Überspannungsschutz. Die sichere Übertragung von Daten wird durch transiente Störgrößen stark beeinflußt. Bei diesen Größen handelt es sich um schnelle Stoßstrom- und Stoßspannungsimpulse, die sich im Bereich von m-Sekunden befinden. Diese Impulse entstehen zum Beispiel durch direkte oder indirekte Blitzeinwirkungen oder durch Schalthandlungen beim EVU bzw. in der eigenen Anlage.

Wird eine Anlage mit einer solchen Störung beaufschlagt, kann es zu Zerstörungen von elektronischen Komponenten, verbunden mit Betriebsunterbrechungen, Wartungsarbeiten und Kosten kommen. Um dieser Gefährdung Rechnung zu tragen, werden Überspannungsschutzgeräte (ÜSG) eingesetzt.

Die Wirksamkeit von ÜSG hängt neben der richtigen Auswahl und Installation stark von der Vollständigkeit des Überspannungsschutzkonzeptes ab. Bei der Erstellung eines wirksamen Überspannungschutzkonzeptes steht das Schutzkreisprinzip im Vordergrund. Zieht man um eine zu schützende Elektronik einen Kreis, so können alle Leitungen, die in diesen Kreis hineinführen bzw. ihn verlassen, ein Gefährdungspotential darstellen. Neben der Energieversorgung müssen also auch Meß-, Steuer- und Regelkreise sowie Datenkommunikationsleitungen in das Konzept einbezogen und gegebenenfalls mit entsprechenden ÜSG beschaltet werden.

Mit der Produktlinie Trabtech werden Überspannungsschutzgeräte für nahezu alle Anwendungen angeboten. Der Schutzkreisgedanke läßt sich anhand eines Praxisbeispiels aus der Klärwerkstechnik veranschaulichen.

In den verschiedenen Stufen der Klärung findet man eine Vielzahl von Vor-Ort-Steuerstellen. Zum einen kann es sich hierbei um reine Schaltstellen für Pumpen oder andere Antriebe handeln und zum anderen um Meßwertaufnahmen mit integrierten Meßumformern. Hier werden z. B. pH-Wert, Temperatur und Leitfähigkeit des Wassers gemessen und in Form von 0(4)-20 mA-Stromschleifen zu einer übergeordneten SPS übertragen.

Begründet durch die Lage der Stationen im freien Feld stellen alle Übertragungswege, die an die SPS gekoppelt werden, ein Gefährdungspotential dar. Demzufolge sind alle Leitungen mit geeigneten Überspannungsschutzgeräten beschaltet, um die SPS vor Zerstörungen durch transiente Überspannungen zu schützen (Abb. 2).

Darüber hinaus ist die SPS meist über ein Bussystem, z. B. Interbus, mit weiteren SPSen oder einer zentralen Leitwarte verbunden. Das an die SPS angeschlossene Buskabel ist ebenfalls mit für das Übertragungssystem geeigneten ÜSG zu beschalten. Gleiches gilt für die Energieversorgungsleitung.

Bei den Überspannungsschutzgeräten für die Energieversorgung unterscheidet man zwischen Blitzstromableiter, Überspannungsableiter und Geräteschutz.

Blitzstromableiter sind in der Lage, direkte Blitzteilströme zu führen. Sie werden immer dann notwendig, wenn das Gewerk, dessen Energieversorgung beschaltet werden soll, durch direkte Blitzeinwirkungen oder solche in unmittelbarer Umgebung gefährdet sind. Das ist z. B. der Fall, wenn das Gebäude durch Freileitungen gespeist wird oder mit einer äußeren Blitzschutzanlage ausgestattet ist.

Um die verbleibende Restspannung weiter auf ein verträgliches Maß zu reduzieren, werden den Blitzstromableitern Überspannungsableiter, auch Varistorableiter genannt, nachgeordnet.

Der Geräteschutz wird direkt vor die zu schützende Elektronik geschaltet, wie z. B. im Falle eines Meßumformers.

Halle A3, Stand 529

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