Interface-Technik So verarbeiten und erfassen Sie analoge Signale sicher nach Maschinenrichtlinie

Autor / Redakteur: Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Peter Stoevesand / Dr. Jörg Kempf

Eine der wichtigsten Aufgaben in der produzierenden Industrie liegt darin, das Risiko für Mensch und Umwelt auf ein Minimum zu reduzieren. Zu diesem Zweck stehen einschlägige Standards der funktionalen Sicherheit zur Verfügung. Lesen Sie, wie normenkonforme Komponenten bei der Umsetzung entsprechender Anwendungen im prozesstechnischen Umfeld unterstützen.

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(Bild: Phoenix Contact)

Während in der Prozessindustrie überwiegend die internationalen Standards IEC 61511 und IEC 61508 zur Anwendung kommen, wird im Maschinenbau auf Basis der EN ISO 13849-1 sicher automatisiert. Hatten viele Anlagenerrichter und -betreiber vor einigen Jahren kaum Berührungspunkte mit der funktionalen Sicherheit, müssen ihre Applikationen nun auch die Anforderungen der Maschinenrichtlinie erfüllen. Davon betroffen sind Bereiche, in denen sicherheitsrelevante Einzelmaschinen zu einer neuen Maschine bzw. Anlage zusammengefügt werden. Weitere Hersteller entscheiden sich ohne gesetzliche Vorgabe bewusst für die Realisierung einer funktional sicheren Anwendung, um Mitarbeiter und Anlagen besser vor Gefährdungen zu schützen.

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Aufgrund der Ausweitung des Geltungsbereichs der Maschinenrichtlinie sowie der erhöhten Sicherheitsanforderungen in der Prozessindustrie gibt es derzeit zahlreiche Anlagen, deren analoge Signale sicherheitsgerichtet betrachtet werden müssen. Hierzu gehören u.a. Temperaturen, Druck, Füllstand und Gaskonzentrationen. Es handelt sich also um ein klassisches 4…20 mA-Signal bzw. um Widerstände und mV-Werte.

Die großen Sicherheitssteuerungen beinhalten durchaus Eingangskarten für 4…20 mA-Signale. Doch wenn das analoge Signal im Fall einer Temperaturmessung ein Widerstands- oder mV-Wert ist, verringert sich das zur Auswahl stehende Gerätespektrum, und die Lösung gestaltet sich in der Regel teuer. Als noch komplexer erweist sich die Situation, wenn der Explosionsschutz ins Spiel kommt oder der Sensor zusätzlich gespeist werden soll. Zudem ist die kostspielige Sicherheitssteuerung oftmals überdimensioniert, weil in der Anlage lediglich wenige Signale sicherheitsgerichtet auszulegen sind.

Vor diesem Hintergrund bieten Unternehmen wie Phoenix Contact klassische Interface-Module als Lösung. Das Portfolio des Blomberger Automatisierungsspezialisten umfasst seit langem ein breites Spektrum an Produkten und Dienstleistungen rund um die funktionale Sicherheit gemäß Maschinenrichtlinie. Gerätefamilien wie Mini Analog und MACX Analog haben sich als führende Lösungen für hohe Signalqualität am Markt etabliert.

Letztere steht dabei seit 2008 für die Umsetzung funktional sicherer Anwendungen im Prozessumfeld sowie für Explosionsschutz gemäß der Zündschutzart Eigensicherheit. Die Baureihe ist jetzt um MACX-Safety-Geräte erweitert worden, die den Anforderungen der EN ISO 13849-1 entsprechen. Zur einfachen Unterscheidung der sicherheitsgerichteten Signale im Schaltschrank sind die Module farblich verschieden gestaltet.

Zwei Anwendungsbeispiele sollen aufzeigen, wie sich die sicheren Interfaces in der Industrie einsetzen lassen. Weiterlesen …

Kombination mit anderen Safety-Komponenten

Zwei Anwendungsbeispiele sollen aufzeigen, wie sich die sicheren Interfaces in der Industrie einsetzen lassen. Die MACX-Komponenten können hier sowohl mit einer Sicherheitssteuerung als auch mit anderen Safety-Modulen von Phoenix Contact kombiniert werden. So ist es z.B. möglich, das 4…20 mA-Signal nicht nur am Temperaturmessumformer MACX PL_T-UIREL-UP aufzulegen, sondern parallel an eine Steuerung weiterzuleiten, die eine redundante Auswertung vornimmt.

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In einem Blockheizkraftwerk (BHKW) sollen Temperatur und Druck gemessen werden. Wegen der Gefahren, die durch einen zu hohen Gasdruck oder eine übermäßige Temperatur entstehen können, ist das BHKW gemäß Maschinenrichtlinie auszulegen. Der Planer entscheidet sich daher für die Anwendung der EN ISO 13849-1. Ferner hat er die Maßgabe, die Sicherheitslösung einfach und kostengünstig zu realisieren. Wichtig ist, dass ein Überschreiten der definierten Grenzwerte zur sicheren Abschaltung führt. In der Risikobeurteilung wurde der erforderliche Performance Level (PL) ermittelt, wobei ein PL d mit der Kategorie 2 ausreicht.

Das Temperatursignal wird direkt auf den entsprechenden Messumformer MACX PL-T-UIREL verdrahtet. Gleiches gilt für das 4…20 mA-Signal. In diesem Fall tauscht der Anwender jedoch die Anschlussklemme durch den Stecker MACX MCR-I20. Der Temperatureingang ist somit multifunktional und kann als 4…20 mA-Eingang genutzt werden.

Im nächsten Schritt sind beide Geräte zu konfigurieren. Dazu lässt sich die spezifische Konfigurations-Software Analog Conf oder die FDT/DTM-Technologie verwenden. Beide Schaltausgänge gehen nun auf das multifunktionale Sicherheitsrelais PSR-MXF. Mit dem MXF-Modul können zwei sichere Schaltvorgänge vorgenommen und ein Not-Halt-Taster integriert werden. Ein weiterer Schaltausgang am Messumformer steht z.B. zum Anschluss einer Signalleuchte zur Verfügung. Der analoge Ausgang des Moduls kann den Pegelunterschied an einer Anzeigeeinheit visualisieren oder zur Auswertung an die Steuerung weiterleiten. Für den rechnerischen Nachweis gemäß Maschinenrichtlinie liegen alle nötigen Werte vor. Sie werden mit dem Sistema-Tool einfach und schnell in die Sicherheitskette eingefügt.

Zum zweiten Beispiel geht’s auf der nächsten Seite.

Im zweiten Beispiel soll eine Anlage, die eine Druckmessung in Metallstaub-Atmosphäre durchführt, gemäß Maschinenrichtlinie umgesetzt werden. Als Sicherheitsanforderung hat der Hersteller den Performance Level PL d errechnet. Da sich der Metallstaub entzünden kann, sind auch die Vorgaben des Explosionsschutzes zu berücksichtigen. Es soll die Zündschutzart Eigensicherheit angewendet werden.

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Auf Basis dieser Rahmenbedingungen installiert der Hersteller an verschiedenen Stellen der Anlage Sicherheitssensoren, die ein 4…20 mA-Signal ausgeben. Zunächst wird das eigensichere Signal durch das zugehörige eigensichere Betriebsmittel MACX PL-EX-TUIREL-UP in ein Nicht-Ex-i-Signal umgewandelt. Die Abschaltung gemäß der gewählten Schaltschwellen und des Schaltverhaltens erfolgt über den sicheren digitalen Ausgang. Mit dem sicheren analogen Ausgang lässt sich der Ist-Wert an einer Anzeigeeinheit darstellen. Das zusätzliche nicht-sichere Relais bietet sich zur Einstellung eines Voralarms an.

Nicht alle Sensoren verfügen über eine eigene Versorgung. Die sog. Zwei-Leiter-Sensoren benötigen vielmehr eine Speisespannung, die sie vom zugehörigen Betriebsmittel über die Signalleitung erhalten. Diese Aufgabe erfüllt der Speisetrenner MACX PL-EX-RPSSI-2I.

Da das Modul bereits die Ex-Trennung vornimmt, kann das nachfolgende Modul darauf verzichten. Zum rechnerischen Nachweis der Erfüllung der Vorgaben aus der Maschinenrichtlinie sind auch hier alle relevanten Werte vorhanden und können mit dem Sistema-Tool in die Sicherheitskette integriert werden. Die Software lässt sich bei Bedarf von der Homepage des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung IFA herunterladen.

* Der Autor arbeitet im Produktmarketing Analog MCR, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont.

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