27.02.2013

Plug&Play

Interface-Lösungen für die Prozessautomation

Die Ansprüche an die Automatisierungstechnik in chemischen und petrochemischen Anlagen sind hoch und steigen stetig. Als Teil der Automatisierungsebene kann die Interface-Ebene einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Anlageneffizienz und -verfügbarkeit leisten. Innovative Interface-Produktprogramme stellen für die verschiedenen applikationsspezifischen Anforderungen optimierte Lösungen zur Verfügung, die zudem wertvollen Platz sparen, sich schnell und fehlerfrei installieren lassen sowie die Planung und Dokumentation vereinfachen (Bild 1).

Autor: Dipl.-Ing. Heinrich Käuper, Phoenix Contact Deutschland GmbH.


Als Schnittstelle zwischen den Feldgeräten und dem Leitsystem übernimmt die Interface-Ebene klassische Funktionen wie die galvanische Trennung, die Anpassung und Verstärkung der Prozesssignale sowie die Filterung überlagerter Störsignale. Die galvanische Trennung der einzelnen Feldsignalkreise ist eine wichtige Maßnahme für eine störungsfreie und präzise Signalübertragung und damit einen effektiven Anlagenbetrieb. Störeinflüsse, die durch Erdpotentialdifferenzen sowie induktive oder kapazitive Einkopplungen entstehen, werden so sicher beseitigt. Dies gilt insbesondere, wenn es sich um räumlich ausgedehnte Anlagen mit unterschiedlichen Potentialen handelt. Die Produktfamilie Mini Analog von Phoenix Contact bietet eine solche galvanische Trennung für alle zur analogen Signalverarbeitung benötigten Funktionen. Die aktiven oder passiven ein- oder zweikanaligen Trennverstärker und Signalumformer verfügen über ein neues Schaltungskonzept mit niedriger Verlustleistung. Dadurch konnte eine Baubreite von nur 6,2mm erreicht werden. Im Vergleich zu den üblichen Abmessungen von 12,5 oder 22,5mm sparen die Mini-Analog-Geräte somit 50 bis 70% Platz auf der Tragschiene.

Bis zu 45% Platzersparnis

In vielen prozesstechnischen Anlagen gibt es Bereiche, in denen explosionsfähige Atmosphären auftreten können. Die Mess- und Steuerkreise in diesen Anlagen sind dann in der Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) ausgelegt. Neben ihren klassischen Funktionen trennt die Interface-Ebene hier zwischen eigensicheren (Ex i) Feldgeräten und nicht eigensicheren Ein- und Ausgangskarten des Leitsystems. Als 'zugehöriges Betriebsmittel' für eigensichere Stromkreise sorgen Ex-i-Trennverstärker für eine sichere Limitierung der in den Ex-Bereich geleiteten Energie, sodass kein zündfähiger Funke oder thermischer Effekt entstehen kann. Wegen der konstruktiven Anforderungen, die die EN60079-11 an eigensichere Betriebsmittel stellt, sind Ex-i-Trennverstärker baulich größer dimensioniert als vergleichbare für Nicht-Ex-i-Anwendungen entwickelte Geräte. Mit einer Baubreite von 12,5mm je Gerät - und das für sämtliche Funktionen, vom Speisetrenner bis zum Temperaturmessumformer, ob ein- oder zweikanalig - erweist sich MACX Analog Ex als eine der kompaktesten Baureihen im Markt der Ex-i-Trennverstärker. Gegenüber den verbreiteten Abmessungen von 16 bis 22,5mm bedeutet dies eine Platzersparnis von bis zu 45% auf der Tragschiene. Möglich wird die schmale Gehäuseform auch hier aufgrund Übertrager- und Schaltungstechniken, die sich unter anderem durch eine verringerte Verlustleistung auszeichnen. Die Geräte bieten durchgängig eine sichere galvanische Trennung von 2,5kV Prüfspannung zwischen Ein- und Ausgängen sowie der Versorgung. Alle Trennverstärker der Baureihe MACX Analog Ex sind entsprechend den aktuellen nationalen und internationalen Normen zur Installation in Ex-Zone 2 sowie für Ex-i-Stromkreise bis in Ex-Zone 0 (Gas) und 20 (Staub) zugelassen.

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Funktional sicher bis SIL2/SIL3

Ist ein MSR-Signal innerhalb der (Ex-) Anlagenstruktur Bestandteil der Sicherheitsfunktion, muss der Anlagenbetreiber eine Qualifizierung der Signalübertragung hinsichtlich der Verfügbarkeit und Qualität nach IEC/EN61508 oder IEC/EN61511 durchführen. Die Geräte der Baureihe MACX Analog (Ex) sind daher gemäß IEC/EN61508 entwickelt worden, weshalb sie für sicherheitsgerichtete Funktionen bis SIL2 und teilweise SIL3 verwendet werden können. Müssen höhere Leistungen oder Ströme sicher geschaltet werden, die in Ex-Anwendungen in Zündschutzart Ex d/e ausgeführt sind, steht mit den PSR-Sicherheitsrelais ein umfangreiches Programm zur Verfügung, das speziell für Anwendungen nach IEC/EN61508/ 61511 bis SIL3 konzipiert und zertifiziert wurde. Angepasst an die relevanten sicherheitsgerichteten Prozessleitsysteme und Steuerungen erlauben die Sicherheitsrelais die Umsetzung von vielfältigen Lösungen von ESD- (Emergency Shut Down) bis zu F&G-Anwendungen (Fire & Gas). Eigenschaften und Funktionen wie zwangsgeführte Kontakte oder die Line und Load Detection sorgen für eine umfassende Diagnose sowie hohe Verfügbarkeit.

Kürzere Installations- und Inbetriebnahmezeiten

In der Interface-Ebene kommen verschiedene Geräte-Bauformen zum Einsatz. Ex-i-Trennverstärker in Tragschienen-Gehäusen sind verbreitet und werden in unterschiedlichen Applikationen genutzt. Die überwiegend ein- oder zweikanaligen Geräte, die für zahlreiche Funktionen erhältlich sind, ermöglichen flexible, modulare Installationen. Tragschienen-Geräte bieten neben einer geringen Baubreite Eigenschaften wie eine steckbare Anschlusstechnik. Modulare Varianten werden typischerweise einzeln mit den jeweiligen E/A-Karten verdrahtet. Zur Regelung und Überwachung komplexer chemischer und petrochemischer Anlagen sind große Signalmengen sicher sowie mit einem übersichtlichen Aufbau Platz sparend zu verarbeiten. Werden hier einzeln zu verdrahtende Techniken angewendet, kann insbesondere bei vielen Signalen ein erhöhter Installations- und Inbetriebnahmeaufwand entstehen. Um diesen Aufwand zu reduzieren, stehen Interface-Lösungen in Motherboard- oder Backplane-Technik zur Verfügung. Dazu werden üblicherweise acht oder 16 Interface-Module auf eine Trägerleiterplatte (Motherboard) montiert, geschraubt oder gesteckt, wobei die Signale systemseitig auf hochpolige Steckverbinder geführt sind. Das erlaubt eine Plug&Play-Anbindung über vorkonfektionierte Systemkabel an die Steuerungsebene. Das neue Termination-Carrier-Konzept von Phoenix Contact basiert hingegen auf einem eigens für diesen Anwendungszweck entwickelten und patentierten Aluminium-Profil mit integrierter Tragschienenkontur zur Aufnahme verschiedener Standard-Interfaces (Bild 2). Im Gegensatz zu Motherboard-Lösungen ist die Termination-Leiterplatte mechanisch von den Interface-Modulen entkoppelt und geschützt in das Profil eingebaut. Die mechanische Entkopplung verhindert Leiterbahnen-Brüche, weshalb das Termination-Carrier-Konzept vibrationssicher bis 2g nach IEC60068-2-6 sowie schockfest bis 15g gemäß IEC60068-2-27 ist. Integrierte Schraub-Krallen ermöglichen die schnelle und stabile Montage des Termination Carriers auf allen gängigen DIN-Tragschienen.

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Übersichtlicher und wartungsfreundlicher Aufbau

Das rasterfrei ablängbare Profilgehäuse gestattet die Anpassung an die gewünschte E/A-Zahl sowie die Baubreite des eingesetzten Interface-Gerätetyps. Alle Systemanschlüsse befinden sich Platz sparend auf der Steuerungsseite. Somit wird das Längenmaß auf der Schaltschrank-Tragschiene lediglich von der Gehäusebreite der verwendeten DIN-Schienengeräte bestimmt. Die Packungsdichte im Schaltschrank ergibt sich neben dem Längen- durch das Breitenmaß. Mit nur 170mm Breite erlauben die Termination Carrier hier einen übersichtlichen und wartungsfreundlichen Aufbau auch in Standard-Schränken, die eine Baubreite von 800mm und Abstände von weniger als 200mm zwischen den Kabelkanälen aufweisen. Auf einer Fläche von 700 bis 1.200mm können bei Nutzung des Termination Carriers und zweikanaligen MACX MCR-Ex-Geräten beispielsweise bis zu 384 Ex-i-Signale integriert werden (Bild 3). Ein wartungsfreundlicher Aufbau der installierten Geräte trägt ebenfalls zu einer hohen Anlagenverfügbarkeit bei. Deshalb sind beim Termination-Carrier-Konzept sämtliche Klemmstellen inklusive der eingebauten Prüfbuchsen gut zugänglich. Außerdem zeichnen sich die aufrastbaren Standard-Interfaces durch ihre Hot-Swap-Fähigkeit aus: Sie werden über steckbare und codierte Kabelsätze mit eindeutiger Zuordnung schnell und sicher an die Termination-Platine angekoppelt. Die Elektronik für die redundante, Dioden-entkoppelte Einspeisung der Versorgungsspannung sowie für Fehlermeldungen befindet sich im Einspeisemodul, das über Tragschienen-Connectoren mit den Trennern verbunden ist. Die Termination-Leiterplatte verfügt also nicht über aktive Bauteile, deren Ausfall den Tausch des gesamten Modulträgers erfordern würde (Bild 4).

Weniger Engineering- und Dokumentations-Aufwand

Da Standard-Tragschienengeräte auf den Termination Carrier adaptiert werden, ist sowohl für Systemanwendungen als auch für die in fast allen Anlagen vorkommenden Einzelanwendungen lediglich ein Gerätetyp je Funktion notwendig. Daraus resultiert ein deutlich verringerter Aufwand für das Engineering und die Dokumentation - insbesondere, wenn es sich um SIL-Anwendungen handelt. Darüber hinaus sinken die Lagerkosten, weil sich die vorzuhaltende Gerätevarianz in etwa halbiert. In Kombination mit vorkonfektionierten und geprüften Systemkabeln reduziert das Termination-Carrier-Konzept die Montagezeit sowie die oft mühsame Fehlersuche bei der Inbetriebnahme erheblich, sodass sich beispielsweise der Factory Acceptance Test (FAT) kompletter Schaltschränke vereinfacht. Das Systemverkablungs-Programm Varioface von Phoenix Contact bietet hier Lösungen für die E/A-Karten verschiedener Leitsysteme. Die steuerungsseitigen Steckverbinder wurden an das jeweilige Karten-Design angepasst. Weitere Systemverkabelungs-Konzepte sind in der Entwicklung oder können kurzfristig umgesetzt werden. In Verbindung mit dem Termination Carrier erhält der Anwender somit eine durchgängige Plug&Play-Lösung von der Signalaufbereitungs-Ebene bis zum Leitsystem (Bild 5).

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