In Sicherheitskreisen von kontinuierlich laufenden Anlagen verbleiben Sicherheitsventile häufig sehr lange in einer Endlage, da ihre Sicherheitsfunktion nur sehr selten ausgelöst wird. Um deren Betriebsfähigkeit sicherzustellen, müssen die Armaturen mithilfe von Partial-Stroke-Tests auf Beweglichkeit geprüft werden. Mit dem SIL3-Ventilsteuerbaustein KFD2-RCI-EX1 kann dieser Test unabhängig vom Ventilstatus realisiert werden.
Autor Andreas Grimsehl Produkt Marketing Manager Interface Technology, Geschäftsbereich Prozessautomation, Pepperl+Fuchs
Ventile in Applikationen zur Sicherheits- und Notabschaltung in kontinuierlich laufenden Anlagen verweilen häufig in einer Endlage, da ihre Sicherheitsfunktion nur im Notfall ausgelöst wird. Dies kann dazu führen, dass sich diese Ventile im Falle einer Notabschaltung nicht ihrer Funktion entsprechend bedienen und verfahren lassen. Um einen reibungslosen Betrieb im Notfall sicherzustellen, müssen diese während des Betriebs mittels Partial-Stroke-Test (oder auch Teilhubtest) auf Beweglichkeit getestet werden. Durch die IEC 61508 und IEC 61511 ist diese Prozedur in Sicherheitsanwendungen für die Verfügbarkeit und Aufdeckungsgrad möglicher Fehler erforderlich. Partial-Stroke-Tests verringern die Ausfallwahrscheinlichkeit der Sicherheitsfunktion, können Fehlfunktionen aufzeigen, die anderenfalls unentdeckt blieben, und halten zudem die PFD niedrig.
Der gewählte Verfahrweg, beispielsweise von 100-%-Stellung auf 90 %, muss ausreichend bemessen sein, um die Beweglichkeit von Antrieb und Armatur nachzuweisen, ohne den laufenden Betrieb der Anlage durch eine Abdrosselung der Stoffströmung zu stören. Eine Anbindung des Feldgerätes an das Asset-Management-System bietet folgende Vorteile:
- Die Sicherheitsfunktion, also die Fähigkeit zur Notabschaltung, ist auch während des Testens der Armatur verfügbar.
- Das erzielte Ergebnis kann einwandfrei – ohne Beeinflussung durch einen Beobachter – dokumentiert und quantifiziert werden (Ventillaufzeit, Totzeit, gleichmäßiges Verfahren der Armatur). Die genaue Bewertung des Zustandes der Armatur erlaubt sogar eine Früherkennung von Ausfällen.
- Eine Fernbedienung ist bei entsprechender Auslegung des Systems möglich, damit kann sowohl der Test, z. B. aus der Anlagenwarte heraus gestartet, als auch die ermittelten Testergebnisse vom Feldgerät an das Asset-Management-System übertragen werden.
Prinzipielle Architektur
Die gewählte Art der Instrumentierung bestimmt die Beobachtungs- und Testmöglichkeiten. Die Testergebnisse können nach Abschluss des Tests asynchron an ein übergeordnetes Asset-Management-System übertragen werden, beispielsweise durch Hart-Protokoll. Damit ist auch die Nachrüstung vorhandener Anlagen möglich. Werden Magnetventile zum Abschalten und Stellungsregler parallel instrumentiert, kann die Armatur auch beim vollständigen Schließen mit überwacht und dokumentiert werden, allerdings sind dann auch vier Leitungen zum Ansteuern nötig.
Wird die Abschaltung der Armatur auch im Fall des Anforderns der Notfunktion durch den Stellungsregler vorgenommen, reicht ein Leitungspaar zum Anschluss aus. Die Steuerung versorgt über einen 4…20-mA-Ausgang oder mittels zusätzlichem Spannungs-/Strom-Umsetzer das Feldgerät. Eine Beobachtung des vollständigen Schließens ist dann aber nicht mehr möglich, da das Ventil inaktiv ohne Versorgung ist.
Werden intelligente analoge 4…20-mA-Stellungsregler für pneumatische Stellantriebe in sicherheitsgerichteten Applikationen eingesetzt, müsste man hier analoge Ausgangskarten entsprechend den Anforderungen nach SIL2 oder SIL3 einsetzen. Die Investitionskosten dafür sind hoch. Diskrete Ausgangskarten entsprechend SIL2 oder SIL3 hingegen erlauben eine kostengünstigere Applikation, die der eigentlichen Auf/Zu-Funktion entsprechen und typischerweise eine höhere Kanaldichte pro Modul anbieten.
SIL3-Anforderungen erfüllt
Der eigensichere Ventilsteuerbaustein KFD2- RCI-EX1 ist konzipiert, um einen intelligenten analogen Stellungsregler zur Sicherheitsabschaltung an eine diskrete Ausgangskarte von einem Leitsystem oder einer sicherheitsgerichteten Steuerung anzuschließen. Die einkanalige Trennbarriere ist mit einem logischen Spannungs- sowie einem weiteren Hart-transparenten Eingang ausgestattet. Am Ausgang stehen ein Strom- sowie ein überlagertes Hart-Signal zur Verfügung.
Vom Ventilsteuerbaustein wird ein digitales Schaltsignal mit 0 V(DC) (logische „0“, AUS) oder 24 V(DC) (logische „1“, EIN) der Sicherheitssteuerung in einem Strom von 4 mA (logische „0“, AUS) oder 20 mA (logische „1“, EIN) umgeformt. Die Kommunikation mit dem intelligenten Stellungsregler geschieht unabhängig vom Schaltzustand, da dieser über das 4…20-mA-Signal definiert ist, dem die Hart-Kommunikation überlagert ist. Ein Asset-Management-System kann einen Partial-Stroke-Test jederzeit initiieren. Sämtliche Diagnose-Informationen sind zu jedem Zeitpunkt über dieselbe Leitung verfügbar, alle SIL3-Anforderungen werden erfüllt. Für die Lösung ist lediglich dieser Ventilsteuerbaustein erforderlich, der zusätzlich auch als eigensichere Barriere dient. Verglichen mit bisherigen Lösungen kann somit auf Analogmodule und teure analoge SIL2 oder SIL3-Ausgangskarten der Sicherheitssteuerung verzichtet werden.
Halle 9, Stand D76
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