Interface-Technik Hohe Verfügbarkeit mit konventioneller Interface-Technik

Das weltweite, umfangreiche und herstellerübergreifende Angebot an Gerätetechnik prädestiniert die konventionelle Interface-Technik für den Einsatz in der Prozessautomatisierung. Von der einfachen Zenerbarriere über galvanisch getrennte Signalübertrager bis hin zu hochfunktionalen Messumformern bietet die Interface-Technik die Lösung für eine Vielzahl an Applikationen.

Anbieter zum Thema

WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG

HECHT Technologie GmbH

BD|SENSORS GmbH

Pepperl+Fuchs SE

In Chemieanlagen, in denen oft explosionsfähige Atmosphären vorhanden sind, werden Temperaturen überwacht, Drücke geprüft, Drehzahlen gemessen und andere physikalische Größen beobachtet. Es werden aber auch Stellgrößen für Ventile oder Antriebe ins Feld übertragen. An der Messstelle, die sich fast immer im explosionsgefährdeten Bereich befindet, werden spezielle Elektroniken eingesetzt, die für die Verwendung im Explosionsschutz geeignet sind. Die Geräte zur Versorgung und Auswertung (Interface-Bausteine) sind meist nicht explosionsgeschützt aufgebaut, und werden in speziellen Schaltwarten installiert, in denen keine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann. Diese Räumlichkeiten werden auch sicherer Bereich genannt. Um zu verhindern, dass der Interface-Baustein über die Verbindungsleitungen im Ex-Bereich (Feldbereich) eine Zündung ermöglicht, enthält dieser eine Energiebegrenzung in Form einer Zenerbarriere.

Begrenzt Energie

Die ins Feld geführte Energie (Spannungs- und Strombegrenzung) wird mithilfe von Zenerbarrieren begrenzt. Diese besteht aus einer Zenerdiode zur Spannungsbegrenzung und einem Widerstand zur Strombegrenzung. Geschützt wird dieser Schaltungsteil mit einer Sicherung. Packt man das ganze in ein Gehäuse, so kommt man zur namensgleichen Zenerbarriere oder auch Sicherheitsbarriere. Benötigt man noch eine galvanische Trennung zwischen Feldgeräteseite und sicherer Seite, so setzt man Signaltrenner ein. Im (Ex)-Signaltrenner findet man die Zusammenschaltung der Zenerbarriere und der galvanische Trennung in einem Gerät. Die galvanische Trennung der Messsignale verhindert die Potenzialverschleppung innerhalb komplexer Anlagen. Auch entfällt die aufwändige Erdung, die bei der Zenerbarriere notwendig ist. Daher findet der Ex-Signaltrenner gegenüber der einfachen Zenerbarriere eine stärkere Verbreitung.

Planungssicherheit durch Vielfalt

Die in der Prozessautomatisierung immer noch dominierende Übertragungsform von Prozesssignalen ist die Analogübertragung mit 4…20 mA-Stromsignal oder binärem Schaltsignal. Aber auch die direkte Übertragung von Sensorsignalen (Temperatursensoren, Messbrücken, mV…) in den Schaltschrank ist sehr häufig anzutreffen. Über diese Signalwege lassen sich alle Prozessparameter direkt übertragen. Im Folgenden soll kurz auf die wichtigsten Signalformen eingegangen werden.

Analogübertragung 4…20 mA

Zur Übertragung einer Prozessgröße an die SPS werden bevorzugt Stromsignale 0/4...20 mA eingesetzt. Das 4... 20 mA-Signal wird auch life-zero genannt. Dadurch, dass ein Messwert von null Prozent auf 4 mA abgebildet wird, kann eine Leitungsüberwachung realisiert werden. Werte unter 4 mA werden somit als Fehler (z.B. Leitungsbruch) interpretiert. Darüber hinaus bietet das Stromeinheitssignal 4...20 mA den großen Vorteil, dass der Signalkreis permanent mit Energie versorgt wird. Diese Energie kann von Messumformern für die eigene Versorgung verwendet werden. Das Stromsignal ist unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und Spannungsverlusten durch den Leitungswiderstand. Die maximale Länge der Signalleitung ist nur durch die maximale Bürde (Widerstand), die durch die Stromquelle betrieben werden kann, begrenzt. Üblicherweise werden bis zu 1000 Meter als nutzbare Leitungslänge angegeben. Ein immer wieder hervorgehobener, entscheidender Vorteil dieser Art der Signalübertragung ist die einfache Diagnose und Fehlersuche. Lediglich mit dem Multimeter ausgestattet kann der Servicetechniker den Signalverlauf vom Feld bis in die Schaltwarte verfolgen. Die Analogübertragung mit 4…20 mA bietet zudem die Möglichkeit über HART-Kommunikation Informationen mit dem Feldgerät auszutauschen.

Signale zur Binärwertübertragung

Zur Übertragung von binären Signalen wird in der Prozessautomatisierung das so genannte Namursignal nach DIN EN 60947 verwendet. Hier werden zwei Strompegel für die Logiksignale verwendet. I< 1,2 mA und I >2,1 mA entsprechen Logisch 0 und Logisch 1. Ähnlich wie beim 4…20 mA-Signal wird auch hier das life zero-Signal verwendet, um Leitungs- oder Sensorfehler zu detektieren. Initiatoren mit geringer Stromaufnahme nutzen dieses Signal noch für die Eigenstromversorgung.

Sonstige Messwertsignale

Zu den beiden Standardsignalen (4…20 mA-Stromsignal und Binärsignal) werden auch die Sensorsignale in unveränderter Form übertragen. Bei der Temperaturmessung mit PT100 wird der Widerstandswert, bei Thermoelementen der mV-Wert direkt aus dem Sensorelement zum Messwertumformer übertragen, der dieses Signal in ein Standardsignal wandelt, damit es von der Steuerung gelesen werden kann.

Bequemer Signaldiagnose

Im Schaltschrank erfolgt die konzentrierte Signalanpassung und Umformung an die im Leitsystem benötigten Standardsignale. Diese Koppelebene wird Interface-Ebene genannt. Diese reicht von einfachen Koppelrelais zur Trennung der oft energiereichen Signale von der Steuerung bis zu komplexen Auswertungen von Frequenz- oder mV-Signalen in intelligenten mikroprozessorgesteuerten Interface-Bausteinen. Es sind aber nicht nur die Prozessinformationen die vom Feld in die Leitwarte übertragen werden, sondern Steuerinformationen vom Leitsystem, die sicher zum Prozess (Stellventile) übermittelt werden sollen.

Messkreisdiagnose ein Kinderspiel

Alle Inbetriebnahme und Wartungsarbeiten lassen sich leicht mit dem Multimeter durchführen. Das Signal vom Transmitter über das Interface-Modul bis hin zur Eingangskarte des Leitsystems kann mit begrenzten Anforderungen ans Wartungspersonal verfolgt werden. HART ist eine Variante der digitalen Feldkommunikation, die bereits viele Funktionalitäten der Feldbustechnik beinhaltet. Der unbestrittene Vorteil ist, dass zum Signaltransport die klassische 4…20 mA-Technik mit der Infrastruktur der Punkt-zu-Punkt-Verbindung ohne Änderungen genutzt wird. Die Kommunikation mit dem HART-Feldgerät erfolgt über die vorhandene Verkabelung. Die weltweite Verbreitung der direkt verdrahteten Interface-Technik hat zu einer Vielzahl an Anbietern dieser Gerätetechnologie geführt. Sowohl die analoge Signal-übertragung als auch die Binärübertragung hat sich auf wenige standardisierte Normsignale reduziert. Der Anwender kann die Geräteauswahl herstellerunabhängig an seine Bedürfnisse anpassen. Allein P+F bietet über 150 Interface-Bausteine für die unterschiedlichsten Signalformen an.

Kosten sparen

Die Gerätehersteller versuchen durch besondere Systemfeatures dem Kunden Kostenvorteile zu verschaffen. Hier schlagen besonders die Planungs-, Montage- und Inbetriebnahmekosten besonders zu Buche. Aber auch die Möglichkeiten der Kostenreduzierung bei der Wartung, Fehlersuche aber auch bei Anlagenerweiterungen sollten berücksichtigt werden. Durch kodierte, abziehbare Klemmen werden Fehler bei der Montage oder beim Service vermieden. Weitaus höhere Einsparpotenziale liegen in der Verwendung von vorkonfektionierten Systemsteckern. Die Verbindung zwischen Interface-Ebene und Leitsystemebene erfolgt durch eine gesteckte vielpolige Leitungsverbindung. Der Einsatz von Terminationboard-Technik reduziert den Montageaufwand weiter. Hier wird ein Rückwandboard auf der Tragschiene montiert und mit Systemkabeln mit dem Leitsystem verbunden. Die Interface-Module werden nur noch aufgerastet. Für den weltweiten Einsatz ist es erforderlich, dass Interface-Module nach SIL gemäß IEC61508 (SIL2 und SIL3) verwendbar sind. Dies sollte nicht durch spezielle Ausführungen geschehen, um den Dokumentationsaufwand und Ersatzteilbedarf gering zu halten.

Fazit: Der Einsatz moderner Interface-Technik ist unverändert aktuell, nicht nur durch die große Anzahl der damit bereits instrumentierten Anlagen, sondern auch durch die ständige Weiterentwicklung dieser Technologie. Der Erfolg dieser Form der Instrumentierung ist nicht nur der Möglichkeit zu verdanken, Signale zu verstärken, zu wandeln, zu trennen oder zu begrenzen, sondern auch durch die Fähigkeit zusätzliche Überwachungsfunktionen wahrzunehmen und mit übergeordneten Steuerungen zu kommunizieren. Weiteres Entwicklungspotenzial liegt sicher in der weiteren Reduzierung der Gerätebaubreite und der Verlustleistung der Geräte. n

Der Autor ist Mitarbeiter von Pepperl+Fuchs, Mannheim.

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