Eigensichere Interface-Bausteine

Eigensichere Schnittstellen dienen der Energiebegrenzung bei der Übertragung von Signalen vom sicheren zum explosionsgefährdeten Bereich. Zenerbarrieren stehen in diesem Zusammenhang seit vielen Jahren im Wettbewerb zu galvanischen Trennbausteinen. Die Zenerbarriere konnte jedoch lange Zeit nicht die Forderungen an einfache Installation und Verarbeitung der gängigen Namur-Signale erfüllen. Diese Nachteile beseitigte MTL Instruments mit der Einführung der Serie 7700. MTL 7700 ist eine Zenerbarriere zur Montage auf DIN-Schiene und verfügt über abnehmbare Anschlussklemmen. Ihr Funktionsumfang wurde im Verhältnis zur klassischen Zenerbarriere erweitert. Technisch basiert die MTL 7700er Serie auf der bewährten MTL Serie 700. Typische Applikationen dieser leistungsfähigen Zenerbarrieren sind die Verarbeitung von

• binären Ein- und Ausgangssignalen

• analogen Ein- und Ausgangssignalen

• Sondersignalen

Typische Anwendungen hierfür sind Stellungsrückmeldungen von Armaturen oder Überwachungen, ob ein Ereignis vorliegt (z.B. Füllstand, Kontaktmanometer…). Diese Signale werden entweder als potentialfreier Kontakt oder als Namur-Signal übertragen. Binäre Eingänge kommen in großer Zahl in der Praxis vor, weil diese kostengünstig sind. Oftmals reicht es völlig aus, Prozessgrößen auf Grenzbedingungen hin zu überwachen, da nur ein Unter- oder Überschreiten Reaktionen erfordern. Die Anforderungen an die Ex-Trenner sind einfach zu definieren: sie sollten die verschiedenen Eingangsgrößen ohne zusätzliche Signalaufbereitung verarbeiten können. Aufgrund der vielen binären Eingangsgrößen müssen die zugehörigen Ex-Trennbausteine kompakte Abmessungen haben. Darüber hinaus ist bei diesen Signalen auch eine hohe Schalthäufigkeit bis in den kHz-Bereich zu übertragen.

Für binäre Eingänge sind die in Tabelle 1 aufgeführten Barrieretypen der Serie MTL 7700 erhältlich. Die aktiven Zenerbarrieren bieten Funktionalitäten, die bisher den galvanischen Trennern vorbehalten waren, wie z.B. eingebaute Komparatoren zur direkten Auswertung von binären Namur-Signalen oder Leitungsbruchüberwachung am Eingang mit Signalisierung über separaten Relaiskontakt.

Die Anforderungen an binäre Ausgänge unterscheiden sich von denen der Eingänge. Hier sind typische Applikationen die Ansteuerung von Magnetventilen oder Signalgebern. Magnetventile steuern pneumatisch wirkende Armaturen an. Zu den Signalgebern zählen Hupen, Lampen oder Blitzleuchten, die prozessnah installiert sind. Üblicherweise benötigen diese Ausgänge mehr Energie als die Eingänge, da die anzusteuernden Geräte in Zweileiter-Technik verdrahtet werden. Das bedeutet: diese Geräte erhalten ihre zur Funktion notwendige Leistung direkt aus der Zenerbarriere. Binäre Ausgänge werden in der Regel in geringerer Anzahl als Eingänge benötigt. Dabei sind die Anforderungen an die Signaltrenner wie folgt definiert: Zweileiter-Aktoren sollen direkt angesteuert werden können. Wichtig ist dabei, dass genügend Leistung (U, I) an den Ausgangsklemmen zur Verfügung gestellt wird, um eine repräsentative Anzahl von Aktoren ansteuern zu können. Die Obergrenze für die zur Verfügung gestellte Energie wird natürlich durch die Richtlinien der Eigensicherheit begrenzt.

Für binäre Ausgänge stehen die in Tabelle 2 dargestellten Barrieretypen der Serie MTL 7700 zur Verfügung. Die Barrieren decken einen großen Leistungsbereich ab. Es sind über einen großen und fein abgestuften Bereich unterschiedliche Leistungen für die am Markt befindlichen Aktoren vorhanden. Eine weitere wichtige Signalart bilden die analogen Signale. Analoge Eingänge sind in der Regel Stromsignale, die den Prozess-Istwert in Form eines 4…20 mA Signals übertragen. 4…20 mA entsprechen also 0…100% Prozess-Istwert. Es spielt dabei keine Rolle, in welcher physikalischen Messgröße der Prozess-Istwert vorliegt. Typische Signale sind Druck, Durchfluss, Füllstand. Lediglich Temperatursignale werden als Widerstandssignale oder Thermoelemente oft direkt übertragen.

Die MTL 7700 Barrieren für analoge Eingänge sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Anloge Ausgangssignale sind typischerweise Signale für Regelgeräte. Dazu zählen beispielsweise Regelarmaturen und Frequenzumrichter. Auch hier wird die Stellgröße 0…100% als 4…20mA-Stromsignal übertragen. Für analoge Ausgänge sind die in Tabelle 4 beschriebenen Barrieretypen aus der MTL 770-Serie erhältlich.

Die MTL 7700-Serie zeichnet sich durch eine einheitliche Gehäuseform aus. Die Barrieren sind für die DIN-Schienen-Montage (35 mm DIN-Schiene) bestimmt. Alle Geräte haben Gehäuseabmessungen von 90 x 104 mm. Das Anreihmaß je Gehäuse ist einheitlich 12,6 mm. Deshalb benötigen die zweikanaligen Versionen nur einen Montageraum von 6,3 mm je Kanal. Die Funktionserde wird automatisch nach Aufschnappen der Barriere auf der DIN-Schiene sichergestellt. Die Anschlussklemmen an den Zenerbarrieren sind abnehmbar und für Kabelquerschnitte bis 2,5 mm² geeignet. Dadurch ist sichergestellt, dass der Austausch einer einzelnen Barriere ohne Lösen der Feldverkabelung geschieht. Auf der Gehäuseoberseite befindet sich noch zusätzlich Raum für die Messstellenbezeichnung. Die Hilfsenergie für die aktiven Barrieren kann über einen redundanten Power-Bus von Barriere zu Barriere übertragen werden. Damit entfällt das sonst notwendige Brücken der Hilfsenergie von Gerät zu Gerät. Der Power-Bus befindet sich ebenfalls auf der Gehäuseoberseite.

Aus der Fabrikautomation sind binäre, sicherheitsgerichtete Signale seit langem bekannt. Das Prinzip der sicheren Signalübertragung bedeutet nichts anderes, als dass sich die Komponenten selbst auf Funktion überwachen und bei Erkennen eines internen Fehlers in einem vorgegebenen sicheren Zustand verharren. Typische Anwendungen sind Not-Aus-Kreise oder Lichtgitterauswertungen vor selbstanlaufenden Maschinen. Bis vor kurzem wurden sicherheitsgerichtete Komponenten nach DIN 19250 in Anwendungsklassen eingeteilt. Mit der Globalisierung wird diese deutsche Norm durch die weltweit gültige IEC 61508 ersetzt.

Typische Applikation aus dem Bereich der Chemie- und Verfahrenstechnik ist die Signalübertragung von sicherheitsgerichteten Transmittern oder, je nach Anforderung, die Signalübertragung von anlagenrelevanten Signalen über eine sichere Übertragungsstrecke. Diese Transmitter sind von der Funktion ähnlich wie Standardgeräte. Der Prozess-Istwert (z.B. Druck) wird in ein Stromsignal 4…20mA umgewandelt. Intern sind diese Transmitter meistens redundant aufgebaut. Dadurch kann sicher erkannt werden, ob der Prozess-Istwert richtig in das Stromsignal umgewandelt wird. Nur wenn die beiden redundanten Baugruppen zum gleichen Ergebnis gelangen, wird das Ausgangssignal als fehlerfrei bewertet. Die zweite Applikation, die Übertragung von gewöhnlichen, nicht sicherheitsgerichteten Prozesswerten über eine sichere Übertragungsstrecke, resultiert aus dem Verlangen, mehr Sicherheit in der Anlage zu realisieren. Oftmals fordern Behörden oder Firmenstandards, dass wichtige Signale, die zum Abschalten einer Anlage führen können, besonders verarbeitet werden. Typisch für solche Signale sind Drücke und Temperaturen, die vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten dürfen. Die Forderung ist, die Signale so sicher wie möglich zu übertragen. Durch den Einsatz von sicherheitsgerichteten Trennern erreicht man, dass ab dem Eingang des Trenners die Signalführung selbstüberwachend ist. Signalveränderung, die aus einem Fehler im Trenner oder in der Verkabelung resultieren, werden erkannt und der Messkreis verharrt funktionsbedingt in einem sicheren Zustand.

MTL Instruments bietet dazu entsprechende galvanische getrennte Interfacebausteine (Trenner) für die Chemie- und Verfahrenstechnik an, die die Ex-Signaltrennung und die sicherheitsgerichtete Signalübertragung in einem Gerät vereinigen. Diese galvanischen Trenner ergänzen die MTL Serien 4000 und 5000, also die Backplane und DIN-Schienen-Trenner. Diese sicherheitsgerichteten Interfacebausteine sind nach IEC 61508, SIL 2 und SIL 3 zugelassen. Speziell für sicherheitsgerichtete Feldgeräte mit 4…20 mA-Signal wurde der Ex i-Trenner vom Typ E02011 entwickelt. Dieser ergänzt die klassische Ex-Trennung mit sicherheitsgerichteter Signalübertragung gemäß DIN 19250 AK 6 und Hart-Signalübertragung. Der E02011-Trenner ist vom Konzept her ähnlich wie ein sicherheitsgerichteter Transmitter aufgebaut. Das Eingangssignal wird durch redundante Baugruppen im Trenner verarbeitet und übertragen. Die Baugruppen überwachen sich ständig auf Abweichung in den Ergebnissen. Nur so lange beide Baugruppen zum selben Ausgangswert gelangen, gilt das Ausgangssignal als fehlerfrei.

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