Eigensichere Prozesssteuerung

Ing. Jan J. Berends

Rangieranlagen sind notwendig, der Vorentwurf und die Vorinstallation sind jedoch zeitintensiv und teuer. Der ständig wachsende Bedarf an Prozess-informationen, insbesondere in der petrochemischen Industrie, bedeutet eine wesentliche Zunahme der E/A-Module. Die Stellfläche der vielen erforderlichen Rangierschränke macht einen kostspieligen Ausbau des Kontrollraums oder eine nicht weniger teure Unterbringung der Geräte in einem Rangierraum erforderlich, der sich beispielsweise unter dem Messraum befinden kann. Der zweitgrößte Kostenfaktor bei E/A-Anlagen sind die zahlreichen Signale aus dem explosionsgefährdeten Bereich. Die europäischen Sicherheitsbestimmungen nach Atex 100a sind bei der Installation zu beachten, gleichzeitig erfordern sie erhebliche Investitionen.

Das konzeptionelle Design von Process Interface beruht auf zwei Hauptkomponenten: Einer Basisklemme mit einer Breite von 12,4 mm sowie steck- und codierbaren Elektronikmodulen in gleicher Baubreite (Abb. 1). Durch diese funktionale Integration werden Rangier- und Interfaceebene in einem Schaltschrank zusammengefasst. Hierzu gehören auch alle Vorrichtungen für die ungefährliche und ordnungsgemäße Verarbeitung von Explosionssignalen.

Die Verdrahtung des Schaltschranks ist mit der Basisklemme auf der Tragschiene verbunden. Das einzeln codierbare Modul sollte erst später an die Basisklemmen angeschlossen werden. Charakteristisch für diese beiden Hauptkomponenten ist die Messertrennklemme auf der Basisklemme, mit Testpunkten für Diagnosezwecke. Die Versorgungsspannung kann beispielsweise mit Hilfe einer Einlegebrücke überbrückt und die Klemmen modular aufgebaut werden. Das steckbare Modul im Bausatzformat ist mit eigensicheren Ein- und Ausgangsklemmen ausgerüstet und eignet sich für intelligente Netze. Die Codierung kann später durchgeführt werden (Abb. 2). Die Möglichkeit, nur die Basisklemmen zu wählen, die für die vorhandene Installation erforderlich sind, und weitere Reihenklemmen später hinzuzufügen, macht die Prozessinstallation flexibel. Die Basisklemmen können ohne die steckbaren Module direkt im Rangierschrank platziert werden. Dadurch entsteht zusätzlicher Raum für spätere Veränderungen der Prozesssteuerung. Die mit den Elektronikmodulen verbundenen Kosten fallen nur in der Implementierungsphase an.

Die eigensicheren Process Interface-Komponenten sind mit der Kennung [EEx ia] IIC als zugehöriges Betriebsmittel für alle Zonen und Gase zugelassen und nach der ab 1. Juli 2003 verbindlichen Richtlinie Atex 100a zertifiziert. Dies garantiert dem Anwender Zukunftssicherheit. Die Module werden bereits in Raffinerien der chemischen Industrie, auf Bohrinseln sowie Öltankschiffen eingesetzt und tragen dort zur hohen Anlagenverfügbarkeit bei, ohne viel Raum zu beanspruchen.

Moerdijk Filling & Dispatch (MFD) umfasst alle Maßnahmen bei Shell Chemicals Moerdijk, die sich auf den produktbezogenen Umschlag und Versand beziehen (Abb. 3). Dazu gehören ein in Teileigentum befindlicher Tankpark, acht Kais mit Umschlagverteilern für Schiffe, ein Rangierbahnhof für Eisenbahnwaggons sowie drei Verlade- und Wägebühnen für Tankfahrzeuge. Die erforderlichen Transportmittel verdeutlichen, dass die jährliche Verarbeitungsmenge mit 1500 bis 2000 Schiffen, etwa 13 000 Tankwagen und mehr als 3000 Waggons erheblich ist. Die Umschlagsmengen wachsen jährlich. Automatisierung und Sicherheit der Umschlagverfahren müssen immer auf dem aktuellen Stand der Technik sein. Vor etwa zwanzig Jahren konnte der Ablauf mit pneumatischen Reglern und Relais gesteuert werden; Verrohrung und Verkabelung waren in einem kleinen Kellerraum unter dem Kontrollraum untergebracht. Von der ursprünglichen Kontroll- und Steuerungsanlage ist in dem modernen Kontrollraum von heute allerdings nichts mehr zu finden.

Vor etwa zweieinhalb Jahren nahmen Modernisierungsideen Gestalt an. Im Rahmen früherer Projekte wurden sowohl bei Kontroll- als auch Sicherheitssystemen wertvolle Erfahrungen gemacht. Die Modernisierung des MFD-Werks wurde vor 18 Monaten begonnen. Die pneumatische Prozesssteuerung war veraltet, aktuell waren moderne Prozesssender. Schließlich installierte man etwa 250 Transmitter für 4…20 mA-Signale mit dem Hart-Kommunikationsprotokoll. Dabei ergab sich ein Problem: Die Prozesse liefen weiter und im oberen MFD-Zusatzkontrollraum war nicht genügend Platz für Schaltschränke, da die Rangierleittechnik bereits aus Platzmangel ins Dachgeschoss verlegt werden musste. Verfügbarkeit und Platzbedarf in Bezug auf die Prozesse forderten ein zuverlässiges und kompaktes E/A-Konzept. Man entschied sich für eine Lösung mit Process Interface. Die Umstellung gelang fast immer reibungslos, da das Team aufgrund früherer Projekte über hinreichend Erfahrung mit diesen Interface-Modulen verfügte, was sich auch in einer wandmontierten, schaltschrankfreien und EMV-sicheren Anlage widerspiegelt.

Signale aus dem Feld werden zuerst in einen Rangierschrank geleitet und dort nach einer funktionalen Vorauswahl mit Reihenklemmen gekoppelt (Abb. 4). Der Rangierschrank ermöglicht Testmessungen und Diagnoseverfahren, in der Regel durch Unterbrechung des Stromkreises mit Hilfe von Messertrennklemmen. Die Eingangssignale werden vom Rangierschrank aus über Fernkabel an einen zweiten, sogenannten Konverter- oder Interfaceschrank weitergeleitet. Der Rangierschrank enthält Signalumrichter zum Umwandeln von Strom in Spannung und Isolationskonverter für explosive und nicht-explosive Bereiche. Die Spannungssignale werden vom Konverterschrank aus zum Steuerungssystem weitergeleitet, häufig zu einem Prozesssteuerungssystem (DCS) oder frei programmierbaren Steuerungssystem (PLC). Typische Eingangssignale sind Industrieübertragungssignale mit 4…20 mA von den Prozesssendern im Feld. Zudem werden von Namur-Schaltverstärkern digitale Eingangssignale gesendet. Ausgangssignal sind ebenfalls 4…20 mA-Signale sowie digitale Ausgangssignale zur Steuerung der Magnetventile. Der Grund für diese komplexe Struktur aus Rangier- und Konverterschränken liegt darin, dass Flexibilität absolut notwendig ist. Bei fester Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung müsste der gesamte Schaltschrank bei Veränderungen der Prozesssteuerung neu verdrahtet werden. Auch ist in jedem Schaltschrank ausreichend Raum für zukünftige Prozessänderungen vorgesehen. Zudem werden eigensichere Signale verwendet, die aus Sicherheitsgründen eine Trennung der explosiven und nicht-explosiven Signale erforderlich machen.

E cav 242