Sicherer Wandler

Dipl.-Ing. Wilfried Grote

Die Übertragung von analogen Mess- und Steuersignalen in industriellen Anlagen erfordert sowohl aus Sicherheitsgründen als auch zur Erzielung einer optimalen Signalqualität fast immer die galvanische Trennung der zu verarbeitenden Signale. Messungen an gefährlich hohen Spannungen oder verschiedenen Massepotenzialen – beispielsweise in räumlich weit auseinander liegenden Anlagenteilen – lassen die direkte Verbindung der Messsignale mit anderen Geräten oder Baugruppen nicht zu. Eine galvanische Trennung der zu übertragenden Signale ist in diesen Fällen zwingend notwendig.

Für diese Einsatzbereiche bietet Phoenix Contact entsprechende Module zur Potenzialtrennung an. Je nach Typ erfolgt gleichzeitig eine Verstärkung oder Umwandlung der Messsignale in Standard-Normsignale (z. B. 0…10 V, 4…20 mA), wobei Spannungen von ±50 mV bis ±100 V und Ströme von ±1 bis ±100 mA mit hoher Genauigkeit übertragen, gefiltert oder umgewandelt werden können.

Im Maschinenbau müssen häufig Sondersignale verarbeitet werden, die nicht im Standardbereich von 0…20 mA oder 0…10 V liegen. Für diese Sondersignale sind in der Regel keine Standardgeräte erhältlich, sodass Universaltrennwandler zum Einsatz kommen. Ferner treten im Spezialmaschinenbau oftmals zeitkritische Regelprozesse auf, weshalb hohe Grenzfrequenzen und damit verbunden schnelle Reaktionszeiten erforderlich sind. Obwohl die am Markt verfügbaren Universaltrennwandler bereits eine große Leistungsfähigkeit aufweisen, gibt es Anforderungen, die sie nicht realisieren können. Hierzu zählen Anwendungen, in denen eine Weitbereichsversorgung, kurze Sprungantwortzeiten (hohe Grenzfrequenzen) sowie besondere Zulassungen wie die funktionale Sicherheit gemäß IEC 61508 benötigt werden.

Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact einen universellen Trennwandler entwickelt, der durch die exakte Umsetzung, Trennung, Filterung oder Anpassung analoger Signale die Übertragungsqualität und damit die Güte von Regelkreisen sichert und erhöht. Neue technische Funktionen, schnelle Reaktionszeiten und weitere Zulassungen ermöglichen die Verwendung in vielfältigen Applikationen der Prozesstechnik. So erlaubt die Weitbereichsversorgung die Nutzung in allen Versorgungsnetzen weltweit.

Der universelle Analogtrennwandler MACX-MCR-UI-UI-UP deckt mehr als 1600 Signalkombinationen im Bereich der MSR-Technik ab. Dazu sind keine Software-Tools und auch kein Adapterkabel notwendig. Die Kombinationsmöglichkeiten, die aus einer Konfigurationstabelle abgelesen werden, lassen sich einfach via DIP-Schalter einstellen. Da die Schalter frontseitig zugänglich sind, kann die Konfiguration des Gerätes auch im eingebauten respektive angereihten Zustand festgestellt und bei Bedarf geändert werden. Durch die hohe Signalflexibilität spart der Anwender Zeit bei der Geräteauswahl und reduziert seine Ersatzteilhaltung.

Eingangsseitig stehen unipolare und bipolare Signale von ±50 mV bis ±100 V, ±1 bis ±100 mA sowie die typischen Life-Zero-Signale 1…5 V, 2…10 V und 4…20 mA zur Verfügung. Ausgangsseitig kann der Anwender neben den Life-Zero-Signalen uni- und bipolare Analogsignale im Bereich ±20 mA bzw. ±10 V auswählen. Die Ein- und Ausgangssignalbereiche sind dabei frei miteinander kombinierbar.

Rein analog aufgebaute Trennwandler werden häufig mit prozessorbasierten, programmierbaren Signalumformern verglichen. Aufgrund der Signalverarbeitungszeiten lassen sich mit den Signalumformern jedoch nicht die kurzen Reaktionszeiten der analogen Trennwandler erreichen, weshalb sie für zeitkritische Regelvorgänge ungeeignet sind. Zudem benötigen die Signalumformer zusätzliche Service-Tools wie Programmier-Software und Adapter.

Zeitkritische Anwendungen, wie sie beispielsweise bei der Überwachung von Frequenzumrichtern in der Antriebstechnik oder im Spezialmaschinenbau vorkommen, erfordern hohe Grenzfrequenzen. In Schweißautomaten werden Schweißströme zumeist über Shunt-Widerstände gemessen. Die hierbei generierten Spannungen im mV-Bereich müssen galvanisch getrennt und auf Standard-Normsignale umgesetzt werden. Solche schnellen Regelvorgänge bedingen kurze Reaktionszeiten und damit hohe Grenzfrequenzen des Trennwandlers.

Für die unipolaren Ausgangssignale besteht zudem die Option inverser Ausgangskennlinien, also zum Beispiel die Umsetzung von 0…50 mV auf 20…0 mA. Neben dem aktiven Strom- oder Spannungsausgang ist ein passiver Stromausgang vorhanden, um auch aktive SPS-Karten direkt zu bedienen.

Analogtrennwandler sind überwiegend als Aufbaugehäuse zur Hutschienen-Montage erhältlich, sodass sich die Module je nach Anforderung flexibel und herstellerunabhängig nebeneinander installieren lassen. Die Trenner-Serie MACX Analog zeichnet sich hier durch eine Gehäusebreite von nur 12,5 mm aus. Im Vergleich zu den bisher üblichen Baubreiten von 16 bis 22,5 mm ergibt sich somit eine Platzersparnis von bis zu 45 % auf der Tragschiene des Schaltschranks.

Voraussetzung für die schmale Bauform ist die minimale Verlustleistung, die aus der patentierten Übertrager- und Schaltungstechnik resultiert. Dabei muss der Anwender keine Abstriche bei der Performance machen. Die Analogtrennwandler übertragen die Signale in einem Temperaturbereich von -20 bis +70 °C unabhängig von der Einbaulage präzise, treiben große Lasten und bieten durchgängig eine sichere galvanische Trennung von 2,5 KV Prüfspannung zwischen Ein- und Ausgang der Versorgungsspannung. Auf diese Weise sind Beeinflussungen, die beispielsweise aus dem Versorgungsnetz kommen können, ausgeschlossen und die Anlagensicherheit steigt.

Steckbare und codierte Anschlussklemmen, die wahlweise in Schraub- oder Zugfedertechnik ausgeführt sind, vereinfachen die fehlerfreie Montage und Vorverdrahtung. Neben den nationalen Zulassungen wie UL/CUL sind die Analogtrennwandler auch für die Installation in der Ex-Zone 2 gemäß EN 60079-15 (Zündschutzart n) abgenommen. Zulassungen nach dem neuen IECEx-Schema ermöglichen den direkten Zugang zu vielen weiteren internationalen Märkten.

Die Gerätefamilie MACX ist für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Kreisen entsprechend der EN 61508 entwickelt worden und erreicht hier den Safety Integrity Level SIL 2. Damit deckt sie die meisten Anforderungen der Prozesstechnik ab. Gerade in diesem Bereich verlangen immer mehr Applikationen die Betrachtung der kompletten Signalkette unter dem Aspekt der funktionalen Sicherheit. Dabei ist beispielsweise zur berücksichtigen, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine Signalkette im Fehlerfall in einen gefährlichen Zustand geht. Eine SIL-Zertifizierung der in der Signalkette verwendeten Komponenten stellt sicher, dass dem Anwender die für die Gesamtbetrachtung notwendigen Parameter zur Verfügung stehen.

Online-Info www.cav.de/0809400