Signalanbindung in der Leittechnik Weniger ist mehr – wie Sie Feldsignale platzsparend ans Leitsystem anbinden

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Stephan Sagebiel / Dr. Jörg Kempf

Die Mess- und Regeltechnik bildet das Rückgrat jeder prozesstechnischen Anlage. Die meist zentral installierten Rangier- und Interface-Komponenten nehmen jedoch viel Platz im Schaltraum ein. Das muss nicht sein! Lesen Sie, wie Sie bis zu ein Viertel der Schaltschränke einsparen können.

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Schrank an Schrank – das war einmal und muss nicht sein! Moderne und „schlanke“ Mess- und Regeltechnik macht’s möglich!
Schrank an Schrank – das war einmal und muss nicht sein! Moderne und „schlanke“ Mess- und Regeltechnik macht’s möglich!
(Bild: Phoenix Contact)

Neben einem effizienten verfahrenstechnischen Prozess hängt das jährliche Produktionsvolumen in der Prozessindustrie 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 unterschiedliche 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.

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Alternativ lassen sich Feldbussysteme verwenden. Hierfür 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 für Signalanpassung und -rangierung

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 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 (siehe Bildergalerie, Abb. 2). 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 Betreiber-Philosophie und Komponentengröße beinhalten die 800 x 2000 Millimeter großen Interface-Schränke rund 250 bis 400 Signale. Hinzu kommt jeweils ein Rangierschrank 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.

Lesen Sie auf der nächsten Seite, warum Produktabkündigungen eine Chance für den Neuaufbau der Signalanbindung bieten.

Produktabkündigungen als 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.

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Da der technologische Fortschritt in der Elektronik- und Software-Entwicklung jedoch alle zehn 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 Gehäusebreite um rund 60 Prozent

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 Millimeter aufweisen, über SIL 2 oder SIL 3-Zulassungen verfügen sowie den NE95-Typtest der Namur bestanden haben. Vergleichbare Geräte älterer Baureihen sind nur einkanalig realisiert und 17 bis 20 Millimeter breit. Also ergibt sich eine Platzersparnis von rund 60 Prozent.

Ein SIL 3-Koppelrelais der Produktfamilie PSR mini zeichnet sich sogar durch ein 6,8 Millimeter 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 Millimeter sind, zeigt einen um über 60 Prozent geringeren Platzbedarf.

Durch die Push-in-Anschlusstechnik hat sich die Baubreite der Messertrennklemmen der Produktfamilie PTTB 1,5 MT auf 3,5 Millimeter verringert. Trotzdem können sie Adern mit einem Leiterquerschnitt bis 1,5 Quadratmillimeter fassen. Im Vergleich zu den bisher erhältlichen Messertrennklemmen, die breiter als fünf Millimeter sind, ist folglich 70 Prozent weniger Platz notwendig. Nicht zu vergessen die Überspannungsschutzgeräte für Mess- und Regelsignale, deren Gehäusebreite pro Kanal je nach Hersteller fünf bis zwölf Millimeter beträgt. Mit der Baureihe TTC (Termintrab complete) hat Phoenix Contact die Geräteabmessung erstmals auf 3,5 Millimeter reduziert.

Wie sich aufgrund der Vielzahl an schmalen Produkten neue Schaltschrankkonzepte umsetzen lassen, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Aufgrund der Vielzahl an schmalen Produkten lassen sich mit den Komponenten von Phoenix Contact neue Schaltschrankkonzepte umsetzen. Beispielsweise sind kombinierte Interface- und Rangierschränke ausführbar, die eine Anlage mit 10.000 I/Os in weniger als 30 Standard-Schaltschränken (Abmessung 800 x 2000 Millimeter) eigensicher trennen und rangieren – und das inklusive einer Platzreserve von zehn Prozent (siehe Bildergalerie, Abb. 3).

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Unterstützung bis zur Inbetriebnahme

Das Schaltschrankkonzept von Phoenix Contact besteht aus drei Teilen (siehe Bildergalerie, Abb. 4): Im 800 x 2000 Millimeter messenden Basisschrank, der in einer Tiefe von 400 Millimeter (einseitig bestückt) oder 800 Millimeter (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 (siehe Bildergalerie, Abb. 5). Nach einer Bestandsaufnahme vor Ort erstellen sie ein Gesamtkonzept zur Migration des Leitsystems oder zum Tausch der Ex i-Ebene. Anschließend werden gemeinsam mit dem Kunden die 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.

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Schutz von 572 Signalen auf einem Meter Tragschiene

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

Termintrab complete bietet Überspannungsschutz ab 3,5 Millimeter Baubreite.
Termintrab complete bietet Überspannungsschutz ab 3,5 Millimeter Baubreite.
( Bild: Phoenix Contact )

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. Ebenso stehen Varianten mit neuartiger Messertrennung sowie für Ex-Anwendungen zur Verfügung.

Sie planen eine Modernisierung Ihrer Anlage(n)? Weitere Informationen zum Thema finden Sie auf process.de/anlagen-modernisierung

* Der Autor ist Leiter Industriemanagement Prozess- und Verfahrenstechnik, Phoenix Contact Deutschland GmbH, Blomberg.

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