Rückströmsicherungen in sicherheitsgerichteten Kreisen

Funktionale Sicherheit in der Praxis

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Rückströmsicherungen erhöhen die Betriebssicherheit von Anlagen. Sie verhindern beispielsweise beim Mischen von Flüssigkeiten, dass das Flüssigkeitsgemisch in die Leitung der reinen Flüssigkeit zurückströmt und so Rohrleitung und angeschlossene Vorratsbehälter verunreinigt.

Autoren Marc Belzer Produktmanager Magnetventiltechnik, Samsomatic Monika Schneider Technische Redaktion, Samson

Rückströmsicherungen von Samsomatic bestehen im Wesentlichen aus den Komponenten Differenzdruckmessumformer, Eintritts- und Austrittsventil sowie Steuereinheit. Der Differenzdruckmessumformer erfasst die Druckdifferenz zwischen den Messpunkten unmittelbar vor dem Eintrittsventil und unmittelbar nach dem Austrittsventil, wobei der Druck vor dem Eintrittsventil im Normalfall immer größer als der Druck nach dem Austrittsventil ist. Vom Differenzdruckmessumformer gelangt ein dem Differenzdruck entsprechendes Einheitssignal zur Steuerung, in der das Einheitssignal mit dem eingestellten Mindestgrenzwert verglichen wird. Unterschreitet der Differenzdruck den eingestellten Mindestgrenzwert, dann schließt die Steuerung simultan das Eintritts- und Austrittsventil. Der Rückstrom des Mediums wird verhindert. Die Samsomatic-Rück-strömsicherung ist geeignet für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Systemen (SIS). Allgemein gilt, je höher die Anforderung an das sicherheitsgerichtete System (SIS), desto höher ist der geforderte Sicherheitsintegritäts-Level. Er wird nach DIN EN 61511 „Funktionale Sicherheit – sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie“ in drei diskreten Stufen (SIL 1 bis SIL 3) beschrieben und definiert die Zielvorgabe, die von den eingesetzten Komponenten eines SIS erreicht werden muss. Je nach Ausführung der Rückströmsicherung ist sie rein rechnerisch in SIL-2- oder SIL-3-Kreisen einsetzbar.
Architektur für SIL-2-Einstufung
Als Eintrittsventil wird ein pneumatischer Kugelhahn mit externem Magnetventil eingesetzt. Das Austrittsventil ist ein pneumatisches Stellventil, das ebenfalls mit einem externen Magnetventil und zusätzlich – für den regulären Regelbetrieb – mit einem Stellungsregler ausgerüstet ist. Alternativ kann das externe Magnetventil entfallen, wenn der Stellungsregler über ein integriertes Magnetventil verfügt oder, wenn der Stellungsregler für sicheres Entlüften auch bei Ansteuerung über Zweidrahtleitung ausgelegt ist. Die sicherheitsgerichtete Steuerung versorgt die Magnetventile der Ein- und Austrittsventile mit einer Steuerspannung (z. B. 24 V(DC)) solange der Differenzdruck zwischen Ein- und Austrittsventil größer als der eingestellte Grenzwert ist. Im Sicherheitsfall (der Differenzdruck unterschreitet den Grenzwert) unterbricht die Steuerung das elektrische Binärsignal zu den Magnetventilen. Die Magnetventile entlüften die pneumatischen Antriebe mit der Sicherheitsstellung Ventil geschlossen. Ein- und Austrittsventil schließen.
Architektur für SIL-3-Einstufung
Auch hier werden ein pneumatischer Kugelhahn als Eintritts- und ein pneumatisches Stellventil als Austrittsventil eingesetzt. Anders als bei der SIL-2-Architektur sind aber beide Ventile mit je zwei in Reihe geschalteten Magnetventilen ausgerüstet. Zusätzlich werden die Differenzdruckmessung und die Steuerung redundant ausgeführt. Somit werden bei einer Grenzwertunterschreitung in einem der redundanten Mess- und Steuerkanäle sowohl der Kugelhahn als auch das Stellventil durch das Ausschalten der betreffenden Magnetventile in die Sicherheitsstellung gefahren. Ferner wird das Austrittsventil mit einem smarten Stellungsregler ausgestattet. Ein Stellungsregler mit Teilhubtest-Funktion (PST) verringert die Ausfallwahrscheinlichkeit im Anforderungsfall. Während des Teilhubtests verfährt das Ventil kurzzeitig auf eine vordefinierte Position und kehrt dann wieder in die Arbeitsstellung zurück. Regelmäßig durchgeführt, hilft der Teilhubtest zu erkennen, dass sich das Ventil in der Arbeitsstellung festsetzt und damit im Anforderungsfall nicht verfahren könnte.
Eine Optimierung der Architektur kann an der Auf/Zu-Armatur (Eintrittsventil) erreicht werden, wenn zusätzlich ein elektronischer Grenzsignalgeber eingesetzt wird, der ähnlich wie der Stellungsregler beim Regelventil einen automatisierten Bewegungstest durchführen kann (z. B. Typ 3738 von Samson).
Die IEC 61511 fordert, dass sicherheitstechnische Funktionen von nicht-sicherheitstechnischen Funktionen zu trennen sind. Für den Fall, dass ein Ausfall der nicht-sicherheitstechnischen Funktion die sicherheitstechnische Funktion nicht beeinflusst, ist es jedoch auch denkbar, ein Gerät sowohl in den Sicherheitskreis als auch in den Regelkreis zu integrieren. Diese Möglichkeit ist beim Austrittsventil der Samsomatic-Rückströmsicherung gegeben. Durch einen smarten Stellungsregler wird das Stellventil für Regelungszwecke nutzbar gemacht. Gleichzeitig bleibt die Sicherheitsfunktion des Stellventils erhalten, da die Verschaltung der Magnetventile der Regelfunktion des Stellungsreglers übergeordnet ist. Somit ist gewährleistet, dass im Anforderungsfall der Antrieb des Stellventils unabhängig von der normalen Regelfunktion entlüftet und damit das Stellventil in die Sicherheitsstellung „gezwungen“ wird.
Die gleichzeitige Nutzung des Ventils im Regel- und Sicherheitskreis wirkt sich zudem positiv auf die Sicherheitsbetrachtung aus: Durch die Regelfunktion können sehr leicht Plausibilitätskontrollen durchgeführt werden, zum Beispiel durch Überwachen der Regelabweichung. Aber auch die Verfügbarkeit kann ständig beobachtet werden, da je nach Prozessanforderungen immer wieder unterschiedliche Stellungen angefahren werden müssen.
Die Rückströmsicherung von Samsomatic ist universell einsetzbar. Ein- und Austrittsventil werden mit Komponenten der Samson Group aufgebaut und sind so flexibel an unterschiedlichste Bedingungen anpassbar. Aus dem großen Portfolio können beispielsweise Ventilgehäuse mit verschiedenen Bauformen und aus unterschiedlichen Materialien problemlos dem Durchflussmedium und den Umgebungsbedingungen angepasst werden.
prozesstechnik-online.de/cav1014418
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