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Weniger ist deutlich mehr

Feldsignale platzsparend an das Leitsystem anbinden
Weniger ist deutlich mehr

Die Mess- und Regeltechnik bildet das Rückgrat jeder prozesstechnischen Anlage. Die meist zentral installierten Rangier- und Interface-Komponenten nehmen aber viel Platz im Schaltraum ein. Deshalb reduziert Phoenix Contact die Baubreite seiner Produkte ständig, sodass sich bis zu einem Viertel der Schaltschränke einsparen lässt.

Neben einem effizienten verfahrenstechnischen Prozess hängt das jährliche Produktionsvolumen maßgeblich von der Verfügbarkeit der gesamten Automatisierungstechnik ab. Je nach Anlagengröße werden für die Steuerung eines kontinuierlichen Prozesses zwischen 5000 und 25 000 Sensoren und Aktoren benötigt. Deren Signale können auf diverse Arten an das Leitsystem übermittelt werden. Als eine Möglichkeit seien Remote-I/Os genannt. Dabei handelt es sich um I/O-Module, die dezentral im Feld in einem Klemmkasten montiert sind. Die Sensoren und Aktoren werden dann als Binär- oder Analogsignale an die Remote-I/Os angeschlossen. Die Ankopplung an die Leittechnik erfolgt über Profibus-/Modbus- und vereinzelt bereits Profinet-Ringstrukturen.

Alternativ lassen sich Feldbussysteme verwenden. Hier müssen die Feldgeräte eine Profibus PA- oder Foundation Fieldbus (FF)-Schnittstelle umfassen. Die Daten werden komplett digital übertragen. Im Feld sind jeweils zwölf bis 24 Feldgeräte an Feldbarrieren und Gerätekoppler angeschlossen, die wiederum über Feldbus-Hauptleitungen an den FF-Master oder DP/PA-Koppler angebunden werden. Und schließlich lassen sich die Signale über eine klassische Parallelverdrahtung an das Leitsystem kommunizieren. Für die Verkabelung im Feld sind typischerweise je 32 Sensoren und Aktoren mit einem Klemmkasten verbunden. Von dort aus führen zum Beispiel 64-polige Stammkabel in den zentralen Schaltraum. Hier werden die Aderpaare auf Rangierverteiler aufgelegt und danach über Relais oder Trennverstärker den einzelnen I/O-Karten der zentralen Steuerung zugeordnet.

Bis zu 60 Schaltschränke

Trotz Cloud Computing, Predictive Maintenance und Augmented Reality verdrahtet die überwiegende Zahl der Betreiber ihre Großanlagen auch heute noch parallel und steuert sie zentral. Denn im Hinblick auf die Fehlersuche, Wartung und Verfügbarkeit stellt diese Art der Verkabelung die geringsten Anforderungen an das Personal und die Umgebung. 4…20 mA-Signale zeichnen sich durch die größte EMV-Stabilität, eine Fehlersuche mit dem einfach bedienbaren Multimeter, keinerlei Schirmungsproblemen sowie eine absolute Rückwirkungsfreiheit einzelner Kanalfehler gegenüber anderen Kanälen aus. Der Umgang mit Eigensicherheitsnachweisen und die Hart-Parametrierung mit dem Handheld-Gerät erweisen sich für die Mitarbeiter ebenfalls nicht als Herausforderung. Doch leider erfordert die Parallelverdrahtung den meisten Platz im Schaltraum.

Im Schaltraum sind verschiedene Schranktypen zu finden. Zum einen gibt es Systemschränke, in denen die I/O-Karten des Leitsystems untergebracht sind. Interface-Schränke umfassen Relais, Signaltrenner und gegebenenfalls Überspannungsschutzgeräte zur Entkopplung, Ex-Trennung sowie zur Absicherung der Anwendung vor Transienten und energiereichen Spannungsspitzen. Rangierschränke dienen der strukturierten Ankopplung der Feldkabel sowie der Kreuzrangierung auf die richtigen Interfaces. Unter Umständen werden zusätzlich 24-Volt-Schränke benötigt, um die erforderliche Hilfsspannung inklusive Potenzialverteilung und Absicherung für die System-, Interface- und Feldversorgung bereitzustellen. Interface- und Rangierschränke sind zahlenmäßig am häufigsten im Schaltraum vertreten. Je nach Betreiberphilosophie und Komponentengröße beinhalten die 800 x 2000 mm großen Interface-Schränke rund 250 bis 400 Signale. Hinzu kommt jeweils ein Rangier schrank für zwei bis drei Interface-Schränke. Bei einer mittelgroßen Anlage mit 10 000 I/Os ergeben sich so etwa 25 bis 40 Interface- sowie zehn bis 20 Rangierschränke. Allein für die Signalanpassung und -rangierung muss der Betreiber folglich zwischen 35 und 60 Schaltschränke veranschlagen.

Chance für den Neuaufbau

Die aktuellen Neuerungen der IEC 61511 führen zu einer fortlaufenden Neubewertung der Safety-Einstufung von Anlagen, was wiederum eine stetig steigende Anzahl von SIL-Kreisen und Sicherheitssteuerungen (sSPS) nach sich zieht. Zudem erhöhen die kontinuierliche Erweiterung der Applikationen sowie deren Optimierung in puncto Effizienz den Instrumentierungsbedarf im Vergleich zur Situation vor zehn Jahren deutlich. Vor diesem Hintergrund wird schnell klar, dass die in der Vergangenheit geplanten Schalträume mittlerweile zu klein sind.

Da der technologische Fortschritt in der Elektronik- und Software-Entwicklung jedoch alle 10 bis 15 Jahre in der Abkündigung bislang verwendeter Leitsysteme sowie I/O- und Interface-Komponenten resultiert, erwächst daraus die Chance für einen Neuaufbau der Schaltschränke. Hier gilt es nun das passende Konzept zu finden, um die bisherige Technik, die teilweise noch in 19-Zoll-Bauweise ausgeführt ist, in den vorhandenen Schalträumen fehlerfrei und vor allem in möglichst kurzer Zeit auf eine neue, zukunftsfähige Basis umzustellen. Diese Herausforderung – Beibehaltung der bestehenden Räumlichkeiten bei gleichzeitiger Sicherstellung der Zukunftsfähigkeit – lässt sich nur durch den Einsatz moderner Komponenten lösen, die wenig Platz im Schaltschrank beanspruchen.

Reduzierung der Breite um 60 %

Es liegt somit auf der Hand, dass Phoenix Contact sich das Ziel gesetzt hat, die Gehäuseabmessungen sämtlicher Schlüsselprodukte stetig zu reduzieren, damit auch die Anzahl der vom Anwender benötigten Interface- und Rangierschränke sinkt. Als Beispiel seien die zweikanaligen Speisetrenner der Produktfamilie MACX genannt, die eine Baubreite von lediglich 12,5 mm aufweisen, über SIL2 oder SIL3-Zulassungen verfügen sowie den NE95-Typtest der Namur bestanden haben. Vergleichbare Geräte älterer Baureihen sind nur einkanalig realisiert und 17 bis 20 mm breit. Also ergibt sich eine Platzersparnis von rund 60 %.

Ein SIL3-Koppelrelais der Produktfamilie PSRmini zeichnet sich sogar durch ein 6,8 mm schmales Gehäuse aus. Das Modul umfasst zwei Elementarrelais mit jeweils zwei zwangsgeführten Kontakten und ist sowohl für High- als auch Low-Demand-Anwendungen geeignet. Eine Gegenüberstellung mit entsprechenden Koppelrelais der Marktbegleiter, die sämtlich breiter als 17,5 mm sind, zeigt einen um über 60 % geringeren Platzbedarf. Durch die Push-in-Anschlusstechnik hat sich die Baubreite der Messertrennklemmen der Produktfamilie PTTB 1,5 MT auf 3,5 mm verringert. Trotzdem können sie Adern mit einem Leiterquerschnitt bis 1,5 mm2 fassen. Im Vergleich zu den bisher erhältlichen Messertrennklemmen, die breiter als 5 mm sind, ist folglich 70 % weniger Platz notwendig. Nicht zu vergessen die Überspannungsschutzgeräte für Mess- und Regelsignale, deren Gehäusebreite pro Kanal je nach Hersteller 5 bis 12 mm beträgt. Mit der Baureihe TTC (Termintrab complete) hat Phoenix Contact die Geräteabmessung erstmals auf 3,5 mm reduziert.

Aufgrund der Vielzahl an schmalen Produkten lassen sich mit den Phoenix-Contact-Komponenten neue Schaltschrankkonzepte umsetzen. So können beispielsweise kombinierte Interface- und Rangierschränke ausgeführt werden, die eine Anlage mit 10 000 I/Os in weniger als 30 Standard-Schaltschränken (800 x 2000 mm) eigensicher trennen und rangieren – und das inklusive einer Platzreserve von 10 %.

Unterstützung der Anwender

Das Schaltschrankkonzept von Phoenix Contact besteht aus drei Teilen: Im 800 x 2000 mm messenden Basisschrank, der in einer Tiefe von 400 mm (einseitig bestückt) oder 800 mm (Vorder- und Rückseite bestückt) realisierbar ist, befinden sich die redundante Stromversorgung, Potenzialverteilung und Absicherung in der einen Seitenwand. In der anderen Seitenwand sind schmale Doppelstock-Messertrennklemmen zum Rangieren untergebracht, während die kompakten Interface-Boards mit zweikanaligen Signaltrennern die Mitte des Schranks einnehmen. Vorgefertigte Systemkabel verbinden die Interface-Ebene mit den I/Os der jeweiligen Leittechnik.

Die Prozess-Experten von Phoenix Contact unterstützen Anwender und Planer bei Um- oder Neubauvorhaben. Nach einer Bestandsaufnahme vor Ort erstellen sie ein Gesamtkonzept zur Migration des Leitsystems oder zum Tausch der Ex-i-Ebene. Anschließend werden passenden Produkte ausgewählt, Elektropläne generiert sowie gegebenenfalls Ex i- oder SIL-Nachweise erbracht. Nach der Lieferung der Systemkabel, Schaltschrankkomponenten oder der komplett vorgefertigten Schränke sind die Spezialisten ebenfalls bei der Inbetriebnahme behilflich.

www.prozesstechnik-online.de: cav0617phoenixcontact


Kurz und Bündig:   Überspannungsschutzgeräte

Mit der Produktfamilie Termitrab complete bietet Phoenix Contact besonders schmale Überspannungsschutzgeräte ab einer Baubreite von 3,5 mm an. Diese eignen sich für alle MSR-Anwendungen. Die Schutzgeräte können somit maximal 572 Signale auf nur einem Meter Tragschiene vor Überspannungen schützen.

Die integrierte Abtrennvorrichtung sorgt für ein sicheres Verhalten bei Überlast. Sie signalisiert mechanisch ohne Hilfsenergie den Status an jedem einzelnen Schutzgerät. Optionale Fernmeldemodule überwachen den Status von bis zu 40 benachbarten Überspannungsschutzgeräten durch eine Lichtschranke. Dadurch vereinfacht sich die Installation: Eine zusätzliche Verdrahtung oder Programmierung der Schutzmodule ist nicht erforderlich.

Die Überspannungsschutzgeräte sind sowohl in der Push-in- als auch Schraubanschlusstechnik erhältlich. Des Weiteren stehen Varianten mit einer neuartigen Messertrennung sowie Modelle für explosionsgeschützte Anwendungen zur Verfügung.

Termintrab complete bietet Überspannungsschutz ab 3,5 mm Baubreite
Bild: Phoenix Contact

Autor Stephan Sagebiel

Leiter Industriemanagement Prozess- und Verfahrenstechnik,

Phoenix Contact

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