Sicherheitssysteme Funktionale Sicherheit bei Analogsignalen

Anbieter zum Thema

PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH

Aerzener Maschinenfabrik GmbH

Gerhard Schubert GmbH - Verpackungsmaschinen

VEGA Grieshaber KG

In funktional sicheren Anwendungen des Maschinenbaus dominieren prinzipbedingt klassische digitale Signalgeber. Neben potenzialfreien Kontakten, wie Not-Halt-Befehlseinrichtungen oder Schutztürverriegelungen, kommen in verfahrenstechnischen Anlagen hingegen vermehrt sicherheitsrelevante Analogsignale zum Einsatz. Daraus ergeben sich besondere Herausforderungen.

In prozesstechnischen Anlagen sind abgesehen von Not-Halt-Signalen häufig physikalische Größen wie Drücke, Temperaturen, Füllstände, Durchflussraten oder Gaskonzentrationen zu überwachen. Typischerweise werden die jeweiligen Analogsignale gemäß der Norm IEC 60381 entweder als (0)/4…20-mA- oder als 0…10-V-Signal standardisiert. Die Vorteile von Stromsignalen liegen in einer höheren Robustheit gegenüber EMV-Einflüssen sowie einer hohen Messgenauigkeit bei größeren Leitungslängen. Im Gegensatz dazu zeichnen sich Spannungssignale durch eine einfache Installation aus. Bei der Konzepterstellung ist zu berücksichtigen, ob der Sensor durch das Auswertemodul gespeist werden soll oder sich durch eine externe Quelle versorgen lässt.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Berücksichtigung von Bürde und Messinformation

In Abhängigkeit von der Sensorversorgung wird daher zwischen aktiven und passiven Eingängen des analogen Auswertemoduls unterschieden (Abb. 1). Bei passiven Eingängen auf der Steuerung muss die Speisung des Analog-Signalgebers extern erfolgen. Im Rahmen des Engineerings von Analogsignalen kommt der sogenannten Bürde eine besondere Aufmerksamkeit zu. Erweist sich diese bei aktiven Eingängen – etwa aufgrund des Leitungswiderstands – als zu hoch, empfiehlt sich die Nutzung von Trennverstärkern. Im dargestellten Beispiel lässt sich aus dem Datenblatt zum Analogmodul PSR-M-EF7 ein Wert für die Bürde von 650 Ohm entnehmen. Der vom Sensor sowie dem Leitungswiderstand veranschlagte Gesamtwiderstand liegt mit 310 Ohm unterhalb des Wertes der Bürde. Es ist also kein zusätzlicher Trennverstärker erforderlich (Abb. 2).

Eine spezielle Anforderung ergibt sich aus der Namur-Empfehlung NE43, die Signalpegel für die Ausfallinformation von digitalen Messumformern mit analogem Ausgangssignal definiert (Abb. 3). Die Messinformation des Analogwertes erstreckt sich dabei auf den Bereich zwischen 3,8 mA bis 20,5 mA. Ein Stromwert, der sich außerhalb dieser in der NE43 festgelegten Grenzen befindet, wird als Messinformation für ungültig definiert und als Ausfallinformation (≤ 3,6 mA … ≥ 21 mA) interpretiert. Die Auswerteeinheit muss folglich in der Lage sein, die entsprechenden Informationen bereitzustellen respektive auf die Abweichung zu reagieren.

Auslegung der funktionalen Sicherheit

Bei der Auslegung von sicherheitsrelevanten Kreisen lassen sich mit einkanaligen analogen Signalgebern funktional sichere Anwendungen bis SIL 2/PL d umsetzen. Bei zweikanaligen Signalgebern beläuft sich der Einsatzbereich bis zur Sicherheitskategorie SIL 3/PL e. Ausgehend von den vom Sensorhersteller zur Verfügung gestellten Ausfallraten können die MTTFD-Werte für den Signalgeber zur weiteren Berechnung des Safety-Loops ermittelt werden. Bei der Berechnung des SIL respektive Performance Levels sind unter Umständen Trennverstärker mit einzuplanen (Abb. 4).

Neben den strukturellen Architektureigenschaften bedingen die beiden Normen EN ISO 13849-1 und EN 62061 die Einbeziehung des Diagnosedeckungsgrads (DC). Bei sicherheitsrelevanten Analogsignalen zeigt sich ein Plausibilitätsvergleich als nicht so einfach wie bei digitalen Signalen, da die Analogwerte wegen Messungenauigkeiten und unterschiedlichen Umgebungsbedingungen praktisch zu keinem Zeitpunkt gleiche Werte liefern. Daher muss der Konstrukteur die zulässige Abweichung zwischen den beiden Analogkanälen festlegen, bei der das System sicherheitstechnisch noch korrekt arbeitet. Auf der anderen Seite darf der Toleranzbereich nicht zu eng gefasst sein, um die Anlagenverfügbarkeit sicherzustellen. Darüber hinaus müssen bei zweikanaligen Architekturen kurzzeitige Abweichungen außerhalb des Toleranzbereichs zulässig sein, die in der Regel keine Rückwirkung auf die funktionale Sicherheit haben. Mit einer entsprechenden Parametrierung in der Analogauswertung sind hohe DC-Werte (bis 99 Prozent) möglich, die sich für die SIL-/PL-Bestimmung in Anspruch nehmen lassen.

Mathematische Berechnungen mit Analogwerten

Abgesehen von der Überwachung von sicherheitsrelevanten Schwellwerten ist bei einigen Anwendungen ebenfalls die Berechnung beziehungsweise Kombination von verschiedenen Analogwerten gefordert. So kommen zur Absicherung von Traglasten Lastmessungen an Kränen oder Lastaufnahmen mehrere Kraftsensoren mit Messung der Einzelkräfte zum Einsatz, wobei im Ergebnis eine maximale Gesamttraglast nicht überschritten werden darf. Im Rahmen einer Applikations-FMEA (Failure Mode and Effects Analysis, deutsch: Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse) ist zudem zu ermitteln, welcher Analogwert im Fehlerfall den sicheren Zustand darstellt. Bei digitalen Signalen würde eine Unterbrechung durch das Ruhestromprinzip typischerweise in den sicheren Zustand führen. Bei Analogsignalen ist der sichere Zustand einer Überlastmessung im Fehlerfall nicht null, sondern der maximal mögliche Wert. Das sicherheitsgerichtete Automatisierungssystem muss deshalb in der Lage sein, entsprechend konfiguriert zu werden.

Ein anderer Anwendungsfall kann sich zum Beispiel bei der Berechnung einer maximal zulässigen Gefahrstoffkonzentration ergeben. Hierzu muss sich der Anteil gefährlicher Arbeitsstoffe in flüssigen oder gasförmigen Medien bestimmen lassen. Mathematisch werden die beiden Anteile ins Verhältnis zueinander gesetzt, was gleichbedeutend mit einer Division ist. Am Ergebnis orientieren sich dann die weitergehenden Schutzmaßnahmen, beispielsweise Abschaltungen oder Belüftungen.

Fazit: Phoenix Contact bietet mit PSRmodular und AXL F zwei Produktfamilien an, mit denen sich Aufgabenstellungen zur Überwachung von sicherheitsgerichteten Analogsignalen einfach realisieren lassen. Beide Baureihen sind auch als XC-Variante für die Verwendung in Prozessapplikationen unter extremen Bedingungen erhältlich. Während das Modul PSR-M-EF7 der PSRmodular-Familie eher für die Nutzung in kleineren bis mittleren Anwendungen optimiert ist, lassen sich mit dem Profisafe-Modul AXL F PSAI8 ebenso verteilte Systemarchitekturen umsetzen.

(ID:49781324)