Online-Testverfahren für Sicherheitsarmaturen sind auf dem Vormarsch. Unter dem Stichwort Partial Stroke Testing finden sich zahlreiche Veröffentlichungen, die das Verfahren und seine Auswirkungen auf das Restrisiko einer Sicherheitsfunktion beschreiben. In der Praxis entscheidet sich ein Einsatz auch wesentlich an den Möglichkeiten zur Anbindung der Feldgerätetechnik an die Leitebene. Insbesondere den Trennverstärkern kommt hierbei eine wichtige Rolle zu.
Dr. Thomas Karte, Dipl.-Ing. Guido König
In kontinuierlich laufenden Anlagen wird von einigen Betreibern schon seit längerem ein Test der in Sicherheitskreisen verwendeten Armaturen in laufendem Betrieb praktiziert. Eine Betätigung der im störungsfreien Betrieb stets in Endlage verharrenden Armatur soll deren Beweglichkeit nachweisen. Positiver Nebeneffekt ist, dass diese Betätigung zugleich einem Festsetzen der Armatur, zum Beispiel durch erhöhte Reibung der Dichtung, entgegenwirkt. Durch IEC 61508 und IEC 61511 ist eine quantitative Betrachtung dieser Prozedur hauptsächlich unter dem Stichwort Verfügbarkeit (PFD – probability of failure on demand) und Aufdeckungsgrad möglicher Fehler (diagnostic coverage) möglich und erforderlich.
Automatisiertes Verfahren
Partial Stroke Testing (PST) ist das Verfahren der Sicherheitsarmatur aus der Endlage. Der gewählte Verfahrweg, beispielsweise von 100 % Stellung auf 90 %, muss ausreichend bemessen sein, um die Beweglichkeit von Antrieb und Armatur nachzuweisen, er darf andererseits nicht den laufende Betrieb der Anlage durch eine Abdrosselung der Stoffströmung stören. Prinzipiell kann dieser Test manuell durchgeführt werden. Dabei wird der pneumatische Antrieb durch Ansteuerung des Magnetventils drucklos geschaltet, die resultierende Bewegung der Armatur durch mechanische Verblockung begrenzt. Eine Automatisierung dieses Verfahrens durch einen Stellungsregler an der Sicherheitsarmatur bietet aber folgende wichtige Vorteile:
- Die Sicherheitsfunktion, also die Fähigkeit zur Notabschaltung, ist auch während des Testens der Armatur verfügbar
- Das erzielte Ergebnis kann einwandfrei – ohne Beeinflussung durch einen Beobachter – dokumentiert werden, es kann quantifiziert werden (Ventillaufzeit, Totzeit, gleichmäßiges Verfahren der Armatur) und ist prinzipiell sogar modernen Diagnoseverfahren zugänglich, die eine genaue Bewertung des Zustandes der Armatur erlauben, eventuell sogar eine Früherkennung von Ausfällen
- Fernbedienung ist bei entsprechender Auslegung des Systems möglich, damit kann sowohl der Test, z.B. aus der Anlagenwarte heraus gestartet, als auch die ermittelten Testergebnisse vom Feldgerät an das Assetmanagementsystem übertragen werden
Prinzipielle Architektur
Die gewählte Art der Instrumentierung bestimmt die Beobachtungs- und Testmöglichkeiten. Ein Stellungsregler mit lokaler Diagnosefähigkeit im Gerät und Möglichkeit der lokalen Datenerfassung und Speicherung gestattet den Einsatz des Verfahrens auch an schnellen Armaturen. Die Testergebnisse können nach Abschluss des Tests asynchron an ein übergeordnetes Assetmanagementsystem übertragen werden, z. B. durch Hart-Protokoll. Damit ist auch die Nachrüstung vorhandener Anlagen möglich. Werden Magnetventil zum Abschalten und Stellungsregler für den Test parallel instrumentiert, kann die Armatur auch beim vollständigen Schließen mit überwacht und dokumentiert werden, allerdings sind dann auch zwei Adernpaare zum Anschluss nötig (Bild 1). Wird die Abschaltung der Armatur auch im Fall des Anforderns der Notfunktion durch den Stellungsregler vorgenommen, reicht ein Adernpaar zum Anschluss aus. Eine Beobachtung des vollständigen Schließens ist dann aber nicht mehr möglich (Bild 2).
Jede Realisierung eines Partial-Stroke-Testverfahrens, ob in Alt- oder Neuanlage, muss sich möglichst nahtlos in das vorhandene Automatisierungskonzept einbinden. Sondergeräte, besondere Verkabelungen, ein eigenes System zur Messwerterfassung und -speicherung, all dies läuft dem Grundgedanken der IEC 61511 zuwider, möglichst bewährte Gerätetechnik einzusetzen, die dem Anwender – im Idealfall auch aus nicht sicherheitsrelevanten Applikationen – vertraut ist. Der Markt bietet inzwischen Stellungsregler wie z. B. den Typ 3730 von Samson, die das gewünschte Profil abdecken; die Leitebene kann ebenfalls die vorhandenen Signale liefern bzw. verarbeiten. Entscheidend sind weiterhin die Trennverstärker auf der Schnittstelle zwischen Feld- und Leitebene.
Signale zur Anbindung der Feldgeräte
In Prozessanlagen besteht die klassische Instrumentierung der Schnellschlussventile (Emergengy Shut Down ESD-Valves) mindestens aus einem Magnetventil. Im normalen Betrieb ist der Magnet erregt und aktiviert den Antrieb. Im Sicherheitsfall unterbricht die Sicherheitssteuerung die Versorgung zum Magnetventil und löst damit den Schnellschluss aus. In der Regel wird diese Minimalausstattung durch Grenzkontakte ergänzt, die zum einen die voll geöffnete Ventilstellung im Normalbetrieb, zum anderen die Sicherheitsstellung im Schnellschluss an die Sicherheitssteuerung zurückmelden.
Für Nachrüstung von Altanlagen – vorteilhaft ist eine Variante entsprechend Bild 2 – ist keine Verkabelung erforderlich. Allerdings muss für einen Übergang des Signalpegels von 24 V auf 20 mA gesorgt werden. Hierzu sind drei Möglichkeiten denkbar: Die Ausgangskarte der sicherheitsgerichteten Steuerung wird von Spannungsausgang auf Stromausgang umgerüstet. Solche I/O-Module sind am Markt verfügbar, beispielsweise bei Hima-Steuerungen. In diesem Fall kann als Trennverstärker für den Übergang vom nicht eigensicheren zum eigensicheren Signal ein I/I-Wandler eingesetzt werden. Solche Trennverstärker sind marktüblich erhältlich, auch mit der Fähigkeit, das Hart-Protokoll zu übertragen, und mit entsprechender Zertifizierung des Herstellers bezüglich sicherheitstechnischer Kennwerte.
Soll der Ausgang der sicherheitsgerichteten Steuerung als Spannungsausgang erhalten bleiben, kann die Wandlung Spannung zu Strom auch durch einen einfachen Widerstand, der z. B. 24 V in 12 mA wandelt, erfolgen. Bauteiltoleranzen spielen hier keine Rolle, der analoge Pegel des Signals wird durch den Stellungsregler an der Sicherheitsarmatur nur bezüglich Ein/Aus bewertet. Auch hier könnte ein marktüblicher Trennverstärker eingesetzt werden. Natürlich ist zu beachten, dass der einfache Widerstand in Bezug auf Bauform, Anschlüsse und Bauteiltechnologie eine sicherheitstechnisch einwandfreie Lösung darstellt.
Nicht am Markt verfügbar ist die Ideallösung entsprechend Bild 3. Hier würde der Trennverstärker die Umsetzung des Signals von Spannung nach Strom vornehmen. Neben der Forderung nach Hart-Fähigkeit und bescheinigten sicherheitstechnischen Kennwerten wäre hier noch eine lineare Übertragung des Analogsignals wünschenswert.
Kann die Nachrüstung eines zusätzlichen Adernpaares in Kauf genommen werden oder steht es gar im Stammkabel zur Verfügung, so ist ein ganzheitlicher Lösungsansatz zu bevorzugen. Stellungsregler und Magnetventil sind parallel instrumentiert. Die kostengünstigste und – noch wichtiger – die sicherheitstechnisch beste Lösung stellt die Integration aller Komponenten in einem Gehäuse dar. Neben Stellungsregler und Magnetventil kann auch noch der Endlagenschalter in das Gehäuse integriert werden, die Verrohrung ist ebenfalls integriert ausgeführt. Eine entsprechende Umsetzung für Schwenkantriebe ist in Bild 4 dargestellt. Das zugehörige Schaltbild zeigt bereits Bild 1, die Trennverstärker sind hier als klassische U/U- beziehungsweise I/I-Wandler verfügbar.
cav 472
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