Analog-Konverter: Außen mini, innen maxi

Dipl.-Phys. Thomas Oesselke

In der Prozesstechnik gewinnt die digitale Signalverarbeitung zunehmend an Bedeutung. Dennoch gibt es wirtschaftliche und technische Gründe für eine analoge Datenübertragung. Insbesondere in der Prozesstechnik, wo Anlagen Betriebsdauern von mehreren Jahrzehnten erreichen können, wird für eine langfristige Verfügbarkeit vielfach klassische Analogtechnik eingesetzt. Ferner kommen hier oft Anforderungen an den Explosionsschutz hinzu, die sich mit der Feldbustechnik nur mit hohem Aufwand abdecken lassen. Vor allem, wenn der Anteil der im Ex-Bereich zu erfassenden Signale nur einen kleinen Anteil aller Signale ausmacht, ist dieser erhöhte Aufwand für Ex-taugliche Feldbussysteme unverhältnismäßig. In diesen Fällen ist der Einsatz analoger Signalübertragungstechnik in der Ex-Zone 2 deutlich kostengünstiger. Die Signalumsetzer Mini Analog von Phoenix Contact bieten Lösungen für alle gängigen Applikationen der analogen Signalübertragung, auch im Umfeld der Prozesstechnik.

Trotz möglicher EMV-Einflüsse sowie Potenzialdifferenzen müssen Nutzsignale zwischen Sensorik und Aktorik im Feld zuverlässig an die Steuerungstechnik in der Leitebene übertragen werden. Die Übertragung von Sensorsignalen über lange Strecken erfordert eine Signalverstärkung und zudem oft eine Umwandlung von Spannungs- in weniger störanfällige Stromsignale. Ferner ergeben sich aus dem Trend zur Dezentralisierung in der Automatisierungstechnik weitere Anforderungen an die Signalverarbeitungskomponenten. Dies gilt insbesondere hinsichtlich des Platzbedarfs, der Energieaufnahme sowie der Einsatzbedingungen. Diesen Anforderungen wird die Produktfamilie der Signalkonverter Mini Analog gerecht.

Eines der häufigsten Probleme der analogen Signalübertragung sind Erdschleifen. Diese entstehen, wenn die über Signalleitungen verbundenen Anlagenteile auf unterschiedlichen Bezugsniveaus liegen. Daraus folgende Ausgleichsströme verfälschen die Signalpegel und können sogar Signalschnittstellen beschädigen. Eine konsequente Trennung der Erdschleifen durch Trennverstärker schützt vor Ausgleichsströmen. Hierzu gibt es je nach Anwendungsfall verschiedene Lösungsansätze. Die gängigste und sicherste Methode ist die Drei-Wege-Trennung mit aktiven Trennverstärkern. Ein aktives Sensorsignal wird am Eingang galvanisch getrennt, gefiltert und bei Bedarf gewandelt, bevor es wieder als aktives Ausgangssignal bereitgestellt wird. Passive Trennverstärker kommen zum Einsatz, wenn aktive 0…20 mA/4…20 mA-Sensorsignale verarbeitet werden müssen. Hierzu ist keine separate Hilfsenergie notwendig, da die Versorgung über das aktive Eingangssignal geschieht. Erfolgt die Signalaufnahme im Feld mit Loop-powered- oder Zweidraht-Messumformern, werden Speisetrenner eingesetzt, die neben Signalverstärkung, Filterung und Trennung zusätzlich eine Sensorversorgung realisieren.

Ein umfassendes Produktprogramm erleichtert dem Anwender die Anlagenplanung sowie Installation. Die Konverterfamilie Mini Analog bietet neben den Grundfunktionalitäten Signaltrennung und Temperaturerfassung auch Lösungen für weitergehende Aufgaben: Grenzwertschalter, Signalverdoppler sowie Namur-Schaltverstärker. Durch harmonisierte Betriebsparameter der einzelnen Geräte bezüglich Bedienung, galvanischer Drei-Wegetrennung oder Versorgungsspannung kann die Geräteauswahl allein anhand der Ein- und Ausgangssignale getroffen werden, die für die Applikation notwendig sind. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise eignen sich die Geräte insbesondere für einen Einsatz in dezentralen Signalverteilungen. Die Verlustleistung und damit die Energieaufnahme wurde durch ein neuartiges Schaltungskonzept minimiert, so dass der Betriebstemperaturbereich nun -20 °C bis +65 °C umfasst. Durch eine optionale Energiebrückung in der Hutschiene lassen sich nebeneinander installierte Messumformer aus einer 24-V-Stromversorgung ohne zusätzlichen Verdrahtungsaufwand speisen. Bei erhöhten Sicherheitsanforderungen kann dies auch redundant erfolgen. Einzelne Geräte können bei Bedarf aus dem Verbund getauscht werden, ohne benachbarte Module zu beeinträchtigen.

Eine Besonderheit sind die verfügbaren Approbationen. Neben den allgemein üblichen Zulassungen gemäß UL (Underwriters Laboratories, USA) erfüllen die Konverter Mini Analog zusätzlich die Anforderungen des Germanischen Lloyd gemäß Umweltkategorie D sowie als erste Gerätefamilie dieser Leistungsklasse ebenfalls alle Anforderungen nach Zündschutzart n. Somit sind die Mini-Analog-Umsetzer für Applikationen in der Ex-Zone 2 geeignet. Dies ist in der Prozesstechnik oft von entscheidendem Vorteil. Einerseits sollen aus Kostengründen die Ausdehnungen der Ex-Zone 0 und insbesondere der Ex-Zone 1 möglichst klein gehalten werden. Anderseits sind Bereiche, die früher als nicht explosionsgefährdet eingestuft wurden, heute aufgrund gestiegener Sensibilität als Zone 2 ausgelegt. Im Bereich der analogen Signaltechnik bedeutet dies in der Regel den Einsatz besonderer Ex-Geräte. Mit der Produktfamilie Mini Analog stehen Geräte zur Verfügung, die ohne Mehrkosten sowohl im Nicht-Ex-Bereich als auch in der Ex-Zone 2 verwendet werden können.

Auf diese Weise lassen sich die Analogsignale der Sensorik in der Zone 2 erfassen, galvanisch trennen, filtern und verstärken, bevor sie an die übergeordnete Prozessleittechnik übermittelt werden. Die Konverter Mini Analog können auch zur Erfassung von Signalen aus der Zone 1 eingesetzt werden, solange es sich nicht um eigensichere Stromkreise handelt. Dies ist beispielsweise für die Auswertung von PT 100-Thermowiderständen möglich. Während die Sensoren selbst in der Zone 1 installiert sind, werden sie von Messumformern Mini-MCR-SL-PT100 in der Zone 2 erfasst und die ermittelte Temperatur in ein störsicheres Normsignal zur Weiterverarbeitung in der Prozessleittechnik umgesetzt. Mini-Analog-Module lassen sich generell zur Anbindung der Sensorik und Aktorik in Zone 1 einsetzen, wenn diese die Voraussetzungen des Explosionsschutzes gemäß Kategorie 2 G erfüllt und nicht in der Zündschutzart „Eigensicherheit“ ausgeführt ist. Die kompakte Bauform sowie die Option zur Energiebrückung mit Hutschienenbusverbindern ermöglicht eine effiziente Installation der Signalumsetzer Mini Analog in dezentralen Signalverteilerkästen direkt am Übergang zwischen den Ex-Zonen 1 und 2. Das sorgt für minimierte Sensorleitungslängen bis zur ersten Filterung sowie Verstärkung der Signale und erhöht deutlich die Übertragungssicherheit.

Halle 9, Stand 331

cav 434

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Hannover Messe 2006