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Damit auf Prozessanlagen immer Verlass ist

Sichere 24-V(DC)-Versorgung für die Sensor-Aktor-Ebene
Damit auf Prozessanlagen immer Verlass ist

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Hohe Investitionen in modernste Prozesstechnik mit zentralen und dezentralen Steuerungen sind in der Chemie- und Pharmabranche Usus. Sie sollen unbeabsichtigte Stillstände mit immensen Kosten vermeiden. Trotz aller Hochrüstung und Modernisierung wird oft die Absicherung der scheinbar untergeordneten Sensor-Aktor-Ebene mit ihrer 24-V(DC)-Versorgung vernachlässigt und ihre Technik nicht auf den gleichen neuesten Stand gebracht wie die Maschinen- und Steueranlagen. Abhilfe schaffen hier Komponenten von E-T-A.

Jürgen Ziarnetzki

Die Absicherung der 24-V(DC)-Feldebene ist nicht ohne, denn ein selektives Abschalten des fehlerbehafteten Stromkreises erfordert eine optimierte Abstimmung der Stromversorgung, der Verdrahtung, des Absicherungskonzepts und der Lastkreise. Nur ein ganzheitliches Vorgehen gewährt bei unterschiedlichen Stromversorgungen, Lasten, Leitungslängen und -querschnitten ein höchstes Maß an stabiler Verfügbarkeit.
Sowohl in DIN VDE 0100-725 als auch in DIN EN 60204-1 ist festgelegt, dass auch in Hilfs-Steuerstromkreisen wie der 24-V(DC)-Ebene immer Einrichtungen für den Schutz bei Kurzschluss vorhanden sein müssen. Diese Einrichtungen sollen die eingesetzten Leitungen und Betriebsmittel vor Überhitzung, Brand oder Zerstörung schützen.
Außerdem müssen Steuerstromkreise gegen Überstrom geschützt sein, wie Abschnitt 9.1.3 der DIN EN 60204-1 klar fordert. Ein Absicherungskonzept muss also sowohl bei Überstrom als auch bei Kurzschluss aktiv werden. Jedoch kommt es in der Praxis zu keiner eindeutigen Abgrenzung der beiden genannten Überstromfälle. Die Wirkungsweise der konventionell eingesetzten Schutzschalter wird stark von äußeren Einflüssen beeinträchtigt. Eine Dämpfung durch lange Leitungswege oder die integrierte Strombegrenzung der heute üblichen dezentralen 24-V-Versorgung durch elektronische Schaltnetzteile (SNT) verhindern oft eine sichere Auslösung der Schutzeinrichtung im Fehlerfall.
Die Vorteile einer dezentralen 24-V-Versorgung durch moderne Schaltnetzteile liegen natürlich auf der Hand: Günstige Kosten für Anschaffung, Instandhaltung und Installation, geringer Platzbedarf, höhere Sicherheit hinsichtlich der Leitungswege im Gegensatz zu zentralen Versorgungskonzepten und nicht zuletzt eine schnelle Fehlerdiagnose. Jedoch kommen die Vorteile nur in einem Gesamtkonzept voll zur Wirkung.
Eins ist jedoch trotz aller Vorteile zu beachten: Elektronische Schaltnetzteile fahren wegen der integrierten Strombegrenzung bei Überlast ihre Ausgangsspannung mehr oder weniger herunter. Diese Selbstschutzfunktion schirmt somit die elektronischen Komponenten des SNT von den hohen Energiewerten ab.
Die Grenzen herkömmlicher Schutzschalter
Auch auf der maschinennahen Feld- und SPS-Ebene der Prozess- und Verfahrenstechnik finden wir heute immer mehr elektronische Systeme und Geräte. Deren hoher kapazitiver Komponentenanteil, bedingt durch die erforderliche Störfestigkeit, erzeugt beim Einschalten einen kurzen, aber sehr hohen Einschaltstrom. Diesen Einschaltspitzen können die klassischen thermisch-magnetischen Schutzschalter mit flinker A oder Z Kennlinie nicht standhalten; sie lösen unverzögert aus und lassen somit das Zuschalten eines Sensors oder Aktors erst gar nicht zu.
Auch der Einsatz eines mittelträgen Schutzschalters mit C-Kennlinie kann hier keine Abhilfe schaffen. Zwar toleriert dieser die Einschaltspitze, löst aber im Fehlerfall gar nicht oder nur mit beträchtlicher Verzögerung aus. Das Schaltnetzteil mit seiner integrierten Schutzfunktion reagiert wesentlich schneller und regelt die Ausgangsspannung herunter. Damit sind dann alle an der 24-V-Versorgung angeschlossenen Lasten spannungslos. Als Folge kann es zu einem totalen Ausfall der Automatisierungsebene und damit des Prozesses kommen, da alle gespeisten Ausgänge – auch die von Überlast oder Kurzschluss unberührten – unkontrolliert abschalten.
Ein weiteres Dilemma kann der tatsächlich fließende Kurzschlussstrom sein, denn er ist abhängig vom meist unbekannten Leitungswiderstand zum Verbraucher – also von Länge und Querschnitt des verlegten Kabels. Deswegen können Schutzschalter mit C- Charakteristik ihre magnetische Auslöseschwelle von bis zu 15 x Nennstrom nicht erreichen und Fehler nicht erkennen. Undefinierbare Gefahrenzustände können die Folge sein. Ein Lokalisieren des Fehlers erschwert sich dadurch, dass meist kein Schutzschalter ausgelöst hat – das Schaltnetzteil war schneller. Besonders kritisch wird das bei sporadischen Kurzschlüssen, oft verursacht durch mangelnde Isolierung. Solche Fehler sind kaum zu finden.
Systematische Absicherung
Eine schnelle und selektive Abschaltung des fehlerhaften Lastkreises bei bleibender Systemverfügbarkeit ist gefordert, bei gezielter Unterscheidung zwischen Überlast, Kurzschluss und kurzen Einschaltspitzen. Wie eine solche ganzheitliche Lösung aussehen kann, zeigt das Beispiel des elektronischen Absicherungskonzepts von E-T-A.
Der elektronische Schutzschalter vom Typ ESS20 mit echter galvanischer Trennung schaltet den Fehler verursachenden Kreis sicher ab, und zwar noch bevor das Schaltnetzteil die Überlastung durch Überlast oder Kurzschluss bemerkt und in den Selbstschutz-Modus geht. Anlagenverfügbarkeit und Sicherheit bleiben erhalten. Die integrierte Fehlermeldung des ESS20 sorgt für eine schnelle und gezielte Fehlerdiagnose. Der ESS20 verhindert, dass der Leitungsstrom über das 1,8fache des Nennstroms ansteigt. Seine integrierte Strombegrenzung schützt somit Verbraucher, Leitungen und das Netzteil.
Echte Trennung
Die elektronischen Schutzschalter aus dem Hause E-T-A sind mit einer Vielzahl von Zusatzfunktionen ausgestattet. Es gibt sie in Stromwerten von 0,5 bis 10 A (ESS20) und 0,5 bis 12 A (ESX10), teilweise umschaltbar zwischen zwei Stromwerten. Der ESS20 – gemäß UL1077 auch als Electronic Supplementary Protector einsetzbar – bietet mit seiner galvanischen Trennung eine echte Trennung zwischen fehlerhaftem Lastkreis und Spannungsquelle und damit die hohe Sicherheit, die in Pharma- und Chemieanlagen gefordert wird.
Ist die galvanische Trennung nicht gefordert, kommt der elektronische Sicherungsautomat ESX10 zum Einsatz. Auch hier folgt nach der elektronischen Abschaltung eine klare Signalisierung, optisch über eine LED und abgreifbar über Hilfskontakt.
Hohe Einschaltspitzen kapazitiver Lasten sind für beide Geräte kein Problem. Während sie bei hohen Strömen durch Kurzschluss sofort auslösen und eine Fehlermeldung abgeben, tolerieren sie kurze Einschaltströme von Kapazitäten bis zu 20 000 µF. Die unverzögerte Abschaltung innerhalb von 100 ms bei Kurzschluss sowie eine Überlastabschaltung nach 5 s bei Lastströmen typischerweise u003E1,1 x Nennstrom gewährleisten sicheren Anlagenschutz und hohe Systemverfügbarkeit.
Die integrierte Strombegrenzung der Geräte schützt somit zuverlässig und verhindert den Spannungseinbruch des 24-V(DC)-Schaltnetzteils. Sogar längere Leitungswege werden beherrschbar.
Zuverlässige Versorgung
Das Absicherungskonzept gewährleistet also eine zuverlässig geschützte 24-V(DC)-Versorgung. Zusätzlich bieten unterschiedliche Stromverteilungssysteme der Reihe SVS eine rationelle Systematik bei der Potenzial- und Lastverteilung sowie bei der Einzel-, Gruppen- und Sammelsignalisierung. Vorkonfektionierte Verteilungen, Unterrangierungen und Hilfskontaktabgänge auf einem einzigen Verteilerboard sparen nicht nur Platz und Verdrahtungsaufwand, sondern bilden auch die Grundlage für ein gezieltes Fehlermanagement und die Einbindung der Fehlerdiagnose in die SPS- und Visualisierungsebene.
Einfache Montage und Fehlerdiagnose sind neben Zeitersparnis und erleichterter Anlagenkonstruktion dank verfügbarer Eplan-Makros ein wichtiger Schritt in Richtung Systemintegration.
cav 448

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