Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Anwenderhandbuch Anwenderhandbuch Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 2014-10-28 Bezeichnung: UM DE ANALOG BASICS Revision: 00 Artikel-Nr.: — PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Bitte beachten Sie folgende Hinweise Erklärungen zu den verwendeten Symbolen und Signalwörtern Dieses Symbol kennzeichnet Gefahren, die zu Personenschäden führen können. Beachten Sie alle Hinweise, die mit diesem Hinweis gekennzeichnet sind, um mögliche Personenschäden zu vermeiden. Es gibt drei verschiedene Gruppen von Personenschäden, die mit einem Signalwort gekennzeichnet sind. GEFAHR Hinweis auf eine gefährliche Situation, die – wenn sie nicht vermieden wird – einen Personenschaden bis hin zum Tod zur Folge hat. WARNUNG Hinweis auf eine gefährliche Situation, die – wenn sie nicht vermieden wird – einen Personenschaden bis hin zum Tod zur Folge haben kann. VORSICHT Hinweis auf eine gefährliche Situation, die – wenn sie nicht vermieden wird – eine Verletzung zur Folge haben kann. Dieses Symbol mit dem Signalwort ACHTUNG und der dazugehörige Text warnen vor Handlungen, die einen Schaden oder eine Fehlfunktion des Gerätes, der Geräteumgebung oder der Hard-/Software zur Folge haben können. Dieses Symbol und der dazugehörige Text vermitteln zusätzliche Informationen oder verweisen auf weiterführende Informationsquellen. So erreichen Sie uns Internet Aktuelle Informationen zu Produkten von Phoenix Contact und zu unseren Allgemeinen Geschäftsbedingungen finden Sie im Internet unter: phoenixcontact.com. Stellen Sie sicher, dass Sie immer mit der aktuellen Dokumentation arbeiten. Diese steht unter der folgenden Adresse zum Download bereit: phoenixcontact.net/products. Ländervertretungen Bei Problemen, die Sie mit Hilfe dieser Dokumentation nicht lösen können, wenden Sie sich bitte an Ihre jeweilige Ländervertretung. 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PHOENIX CONTACT Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 Einleitung ...................................................................................................................................7 1.1 Motivation und Zielgruppen für dieses Handbuch..................................................7 1.2 Um welche Signale geht es? .................................................................................7 Grundlagen ................................................................................................................................9 2.1 Signalaufbereitung in der MSR-Technik ................................................................9 2.1.1 Messsignale ...........................................................................................9 2.1.2 Steuersignale .......................................................................................11 2.2 Ereigniserfassung, Impuls- und Frequenzmessung .............................................. 11 2.3 Temperaturmessung ...........................................................................................12 2.3.1 Widerstandsthermometer ....................................................................12 2.4 Thermoelemente .................................................................................................16 2.4.1 Übersichtstabellen ...............................................................................17 2.5 Näherungssensoren nach NAMUR-Standard......................................................21 2.6 Normsignale ........................................................................................................22 2.6.1 Normsignale 1 ... 5 V, 0 ... 10 V ............................................................23 2.6.2 Stromnormsignale nach DIN IEC 60381-1 ...........................................23 Anwendungen ..........................................................................................................................25 3.1 Trennverstärker ...................................................................................................25 3.1.1 Signalverstärkung ................................................................................25 3.1.2 Konvertierung in ein Normsignal ..........................................................27 3.1.3 Filterung ...............................................................................................27 3.1.4 Galvanische Trennung .........................................................................28 3.1.5 Elektrische Speisung und Trennung der Signalwege ...........................30 3.1.6 Leitungsüberwachung ..........................................................................32 3.1.7 Weitere Funktionen von Trennverstärkern ...........................................33 3.1.8 Analoge und digitale Signalein- und -ausgänge ...................................34 3.2 Applikationsbeispiele...........................................................................................35 3.2.1 Analog IN / Analog OUT .......................................................................35 3.2.2 Analog In, Digital OUT ..........................................................................42 3.2.3 Digital IN, Digital OUT ..........................................................................44 3.2.4 Digital IN, Analog OUT .........................................................................47 Grundlagen der funktionalen Sicherheit ...................................................................................49 105238_de_00 4.1 Funktionale Sicherheit gemäß Sicherheits-Integritätslevel (SIL) ...........................49 4.1.1 SIL-Betrachtung ...................................................................................50 4.1.2 SIL-relevante Kennwerte ......................................................................53 4.2 Sicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen...................................................55 4.2.1 Richtlinien, Normen, Bestimmungen ....................................................58 4.2.2 Zoneneinteilung ...................................................................................60 4.2.3 Zündschutzarten ..................................................................................61 4.2.4 Kennzeichnung von Ex-Produkten .......................................................63 PHOENIX CONTACT 5 A B 6 Technischer Anhang.................................................................................................................65 A1 Erklärung der Produktbezeichnung von Phoenix Contact-Produkten ..................65 A2 Produkte für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik ...............................70 Verzeichnisanhang ...................................................................................................................77 PHOENIX CONTACT B.1 Abbildungsverzeichnis.........................................................................................77 B.2 Tabellenverzeichnis.............................................................................................79 B.3 Stichwortverzeichnis............................................................................................81 105238_de_00 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielgruppen für dieses Handbuch In der MSR-Technik (Messen, Steuern, Regeln) spielt die störungsfreie Übertragung von Signalen eine zentrale Rolle. Die Signalübertragung ist jedoch von einer zunehmend elektrisch aktiven Umwelt betroffen, insbesondere gilt dies für die schwachen Messwertsignale, die von Sensoren geliefert werden. Handelt es sich bei Messwertsignalen ohnehin um kleine Spannungen oder Ströme, die geschützt übertragen, mit Sorgfalt aufbereitet und ausgewertet werden müssen, so nehmen die elektromagnetischen und hochfrequenten Störungen zu, denen sie ausgesetzt sind. Ursächlich hierfür sind: – Die steigende Anzahl elektrisch betriebener Komponenten in allen Leistungsklassen, insbesondere über Frequenzumrichter betriebene Motoren und andere Aktoren – Die zunehmende Miniaturisierung und Packungsdichte von Gerätekomponenten – Die wachsende Zahl drahtloser Kommunikations- und Steuerungseinrichtungen – Die regelmäßig performanter werdenden digitalen Systeme, die mit höheren Übertragungsfrequenzen arbeiten Unzureichende Berücksichtigung dieser Störgrößen, Fehlanpassungen oder andere Planungsmängel beeinträchtigen eine fehlerfreie Signalübertragung. Die Steuersignale zu den aktiven Komponenten technischer Anlagen werden vorsorglich „elektrisch robuster“ ausgestattet, sind jedoch prinzipiell denselben Störgrößen, Ausführungs- und Planungsrisiken ausgesetzt. Dieses Anwenderhandbuch stellt die technisch-praktischen Grundlagen der analogen Datenübertragung vor, die wesentlich für die Automatisierungs- und Prozessleittechnik sind. Das Anwenderhandbuch weist dabei auf Risiken für die Funktionssicherheit und Fehler hin, die häufig bei Planung oder Installation gemacht oder bei der Störungsbeseitigung in Anlagen vorgefunden werden. Das Anwenderhandbuch wendet sich an alle Interessierten, insbesondere Auszubildende und Techniker, die sich mit der analogen Datenübertragung in der Automatisierungs- und Prozessleittechnik vertraut machen wollen. 1.2 Um welche Signale geht es? In diesem Anwenderhandbuch geht es vorrangig um analoge elektrische Spannungs- und Stromsignale, zusammenfassend kurz als „Analogsignale“ bezeichnet. „Analog“ werden Signale genannt, wenn sie stufenlos „gleitend“ jeden Wert zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert annehmen können und deshalb auch „wertkontinuierlich“ genannt werden. Der Wertebereich ist in diesem Intervall sehr groß und im Rahmen der Messgenauigkeit nahezu unendlich. Erzeugt werden elektrische Analogsignale z. B. mit Hilfe eines Sensors, der Zustände oder Zustandsänderungen von physikalischen Größen erfasst und in ein elektrisches Signal umsetzt. In der Anlagen- und Prozesstechnik werden dabei typischerweise folgende Größen gemessen: – Temperatur – Druck – Füllstand 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 7 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik – – – – – – Durchflussmenge Schwingung / Vibration Verformung zur Lastmessung Feuchte Gaskonzentration Elektrophysikalische Größen wie Spannung, Strom, Feldstärke etc. Die Übertragung der Analogsignale von der Signalquelle zum Zielgerät erfolgt durch elektrische Leiter. Bei einem Sensorsignal kommen als Zielgerät verschiedene Möglichkeiten in Frage: – Ein Anzeigegerät, z. B. eine Füllstandsanzeige im Fahrzeug – Eine Steuerungsanlage, z. B. zur Temperaturregelung eines Heizkreislaufs – Ein Signalumformer, z. B. ein Verstärker für ein Mikrofonsignal Dem Sensor kann ein Messumformer nachgeschaltet werden, der das analoge Messwertsignal in ein sogenanntes Normsignal wandelt und damit die Weiterverarbeitung des Signals mit weiteren normierten, elektrischen Bausteinen ermöglicht. Der Messumformer kann bereits im Gehäuse des Sensors integriert sein. Ganz anders als bei den wertkontinuierlichen, analogen Signalen sieht es bei den binären Signalen aus. Sie nehmen nur zwei Werte an und signalisieren hiermit die Zustände „ein“ oder „aus“ bzw. „1“ oder „0“. Binäre Signale werden oft mit den „digitalen“ Signalen gleichgesetzt, weil digitale Signale in der Regel binär codiert sind. Zwischen den analogen und binären Signalen sind solche einzuordnen, die sprunghaft eine begrenzte Anzahl von Werten annehmen können und „wertdiskret“ genannt werden. Wertkontinuierliche (analoge) und wertdiskrete Signale lassen sich durch Abtastung und Quantisierung kontinuierlich messen und werden auf diesem Wege zu Digitalsignalen. Digitalsignale werden normalerweise binär codiert in digitalen Rechnersystemen weiterverarbeitet. Auch die Zurückwandlung digitaler in analoge Signale ist häufig üblich. Die Geräte für die Konvertierungen werden als A/D-Umsetzer und D/A-Umsetzer bezeichnet. Die Konvertierungen zwischen Analog und Digital können durch die Installation gesondert dafür vorgesehener Umsetzer ausgeführt werden oder aber die Umsetzungen erfolgen verdeckt innerhalb von Verarbeitungskomponenten. Die digitalisierte Signalform hat Vorteile für die Übertragung, Speicherung, verlustfreie Kopierbarkeit und automatische Korrigierbarkeit der Signale. Die Umsetzung hat jedoch Nachteile: – Die Gerätekosten steigen. – Das Zeitverhalten ist möglicherweise zu langsam für schnelle Reaktionserfordernisse. – Es gibt systembedingte Fehler, z. B. kann für bestimmte Einsatzzwecke die Auflösung unzureichend sein. In der MSR-Technik werden analoge Signale oft einfach nur binär für eine Steuerung ausgewertet, etwa wenn es um die Überwachung einer Temperatur geht, die bei Übersteigen eines Grenzwertes eine Gegensteuerung auslösen soll. Hier kann die jeweils aktuell gemessene Temperatur z. B. nur für den Vergleich verwendet werden, ob die Temperatur über oder unter dem Grenzwert liegt. Nicht in diesem Anwenderhandbuch behandelt wird die nachrichtentechnische Übertragung analoger Signale in der Telekommunikation - also die Übertragung analoger Nutzsignale durch Modulation eines wesentlich höherfrequenten analogen Trägersignals. 8 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Grundlagen 2 Grundlagen 2.1 2.1.1 Signalaufbereitung in der MSR-Technik Messsignale Im Allgemeinen durchläuft ein analoges Messsignal in der MSR-Technik die folgenden Stationen: 1. Ein Sensor reagiert auf eine physikalische Größe und setzt diese in ein elektrisch auswertbares Signal um. Entweder generiert der Sensor eine Spannung im Stromkreis, oder er verändert den Stromkreis, an den er angeschlossen ist und der von einer Stromquelle gespeist wird, oder er verändert den entstehenden Spannungsabfall entlang des mit konstantem Strom gespeisten elektrischen Kreises. Wenn Sensoren zur Messung physikalische in elektrische Größen konvertieren, werden sie häufig als Messumformer oder Transmitter bezeichnet. Typischerweise werden von Sensoren die folgenden physikalischen Größen gemessen: – Temperatur – Druck – Stoffkonzentrationen – Frequenz (z. B. Drehzahl, Durchflussmenge) – Elektromagnetische und elektrische Eigenschaften (z. B. Licht, energiereiche Strahlung, Leitfähigkeit) 2. Der Sensor ist in der Regel elektrisch an einen Interface-Baustein angeschlossen, der das Signal aufbereitet. Es handelt sich dabei um einen elektronischen Baustein, der im Einzelnen eine oder mehrere der folgenden Funktionen haben kann: – Elektrische Verstärkung, Filterung und Normierung des Messsignals – Galvanische Trennung des Messstromkreises vom Stromkreis des Geräteausgangs – Elektrische Speisung des Sensors, falls erforderlich – Sensor und Interface-Baustein können zusammen in einem Gehäuse untergebracht sein. Ein auf diese Weise integriertes Gerät wird gelegentlich auch als Transmitter bezeichnet. 3. Das aufbereitete Messwertsignal wird an ein Gerät oder an ein System weitergeleitet, das die Messwertinformation auswertet und weiter verarbeitet. Dabei kann es sich direkt um ein Anzeigegerät handeln oder um ein Steuerungssystem, das ganz einfach oder sehr komplex aufgebaut sein kann. Je nach Ausprägung werden für Steuerungssysteme verbreitet folgende Bezeichnungen verwendet: – SPS/PLC (Speicherprogrammierbare Steuerung/ Programmable Logic Controller) – DDC (Direct Digital Control) – DCS (Distributed Control System/Prozessleitsystem) In einfachen MSR-Systemen können Interface-Bausteine und Steuerungssystem in einem Gerät zusammengefasst sein, ggf. zusätzlich der Sensor. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 9 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 4. 5. In industriell eingesetzten Steuerungssystemen werden Informationen in der Regel über Kommunikationsbussysteme übertragen. Sie erlauben die Übertragung einer Vielzahl von Informationen mit Hilfe einer begrenzten Anzahl von elektrischen Leitungsverbindungen. Um das analoge Signal eines Sensors auf einem Bussystem zu übertragen, muss es hierfür aufbereitet werden. Die Aufbereitung erfolgt in einem Interface-Baustein und umfasst im Allgemeinen folgende Punkte: – Digitalisierung des analogen Signals – Integration des Signals in das Buszugriffsprotokoll (einschließlich Adressierung) Übertragung auf dem Bus zum Steuerungssystem. In umfangreicheren Bussystemen ggf. über mehrere Teilstrecken, die mit Repeater-Bausteinen Signalverluste ausgleichen. Der fundamentale und zentrale Bereich der MSR-Technik ist die elektrosensorische Erfassung, Aufbereitung und Auswertung von Zustandsdaten in der Umwelt oder einer industriellen Anlage. Bild 2-1 zeigt schematisch diese drei Bereiche: – Die Signalgewinnung im „Feld“, wie der überwachte und zu steuernde Bereich genannt wird – Die „Konditionierung“ des Signals mit Hilfe elektronischer Komponenten zur Verstärkung, Umsetzung und zum Schutz vor Signalwegstörungen – Die analoge und/oder digitale Signalverarbeitung in einer Auswertungs- und Steuereinheit. Analog IN/OUT Temperature Frequency Potentiometer Digital IN Bild 2-1 10 PHOENIX CONTACT Analoges Signal vom Sensor bis zur Steuereinheit 105238_de_00 Grundlagen 2.1.2 Steuersignale Steuerungssysteme werten die Informationen aus, die von Sensoren geliefert werden, und erzeugen Steuersignale zur Ansteuerung von Aktoren, die elektromechanisch oder auf andere Weise Wirkungen hervorrufen. Typische Aktoren in MSR-Systemen sind: – Relais – Ventile – Elektrisch betriebene Motoren und andere elektrokinetische Aktoren – Heizungs- und Kühlgeräte Im Allgemeinen durchläuft ein Steuersignal in der MSR-Technik die folgenden Stationen: – Interface-Baustein zur Wandlung des Signals der Steuerlogik in das Zugriffsprotokoll des Kommunikationsbusses – Übertragung auf dem Bus zum Aktor, ggf. über mehrere mit Repeater-Bausteinen verbundene Teilstrecken – Interface-Baustein zur Wandlung des Bussignals in ein analoges oder digitales Signal, mit dem der adressierte Aktor angesprochen und betrieben werden kann. Ggf. kann diese Wandlung gesondert für die Steuerungslogik und den elektrischen Betrieb des Aktors erfolgen. Wie die Bausteine, die Messsignale aufbereiten, können sie neben der Konvertierungsfunktion eine oder mehrere folgender Funktionen haben: Verstärkung, Filterung, Normierung, galvanische Trennung, elektrische Speisung. 2.2 Ereigniserfassung, Impuls- und Frequenzmessung Zur Erfassung und Registrierung von Ereignissen, die selten, gelegentlich oder in nicht zu schneller Folge auftreten, dienen Schalter oder Taster. Im Maschinenbau werden z. B. für die Bestimmung von Positionen oder Bewegungsrichtungen Mikroschalter verwendet, die mechanisch von Schaltnoppen an bewegten Maschinenteilen betätigt werden. Wenn Berührungen vermieden werden sollen, können elektromagnetisch wirkende Geber dieselbe Funktion übernehmen (Hall-Sensoren, Schlitzinitiatoren etc.). Berührungslose Verfahren werden vor allem zur Erfassung schnellerer Impulsfolgen eingesetzt, z. B. zur Ermittlung einer Flussmenge mit einem Flügelrad oder der Messung einer Motordrehzahl. Jede Drehung wird dabei elektromagnetisch von einem Impulsgeber erfasst. An einen Stromkreis angeschlossen liefern Schalter, Taster und Impulsgeber ein binäres Signal, das ggf. noch mit einem geeigneten Baustein angepasst und von der Anzeige- oder Steuereinheit ausgewertet werden kann. Das Signal kann je nach Anwendung auf verschiedene Arten verwendet werden: – Auslösen einer Aktion – Messen der Dauer eines Ereignisses – Zählen der Ereignisse – Messen der Frequenz Für die Frequenzanzeige oder die Auswertung der Frequenz auf andere Weise stehen Umsetzerbausteine zur Verfügung, welche die Frequenz in ein proportionales Stromsignal umsetzen. Um die korrekte Messfunktion zu überwachen, sollten im Messstromkreis die Zustände „Eingeschaltet“ und „Ausgeschaltet“ vom Vorliegen eines Kurzschlusses oder einer Leitungsunterbrechung unterscheidbar sein. Zu diesem Zweck werden Widerstände in den Messkreis eingefügt, wie Bild 2-2 zeigt. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 11 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Sensor / Field PLC / DCS 400 R 2 k 10 k Schalter mit Widerständen Bild 2-2 Leitungen Stromversorgung und Auswertung Schalteranschluss mit Widerstands-Zusatzbeschaltung zur Leitungsüberwachung 400 Ω ... 2 kΩ: Widerstand für den Maximalstrom bei geschlossenem Schalter (Kurzschlussstrom ist größer) 10 kΩ: Widerstand für den Ruhestrom bei geöffnetem Schalter (bei Leitungsbruch ist der Strom = 0) Die Dimensionierung der Widerstände muss an den Messstromkreis so angepasst werden, dass von der Auswerteeinheit eine sichere Unterscheidung der 4 Zustände vorgenommen werden kann: – Kurzschluss – Schalter geschlossen – Schalter geöffnet – Leitung unterbrochen Gute Interface-Bausteine haben diese Beschaltung mit Widerständen und weitere Diagnosefunktionen bereits integriert. Sie signalisieren einen Fehler, in Abhängigkeit von einem einstellbaren analogen Ausgangswert, sowohl an gesondert hierfür vorgesehenen Anschlüssen (Line Fault Detection-/Fault Monitoring-Klemmen) als auch optisch durch Leuchtdioden auf den Bausteinen. 2.3 Temperaturmessung In der industriellen Anwendung haben sich die Temperaturmessverfahren mit Hilfe von Widerstandsthermometern und Thermoelementen durchgesetzt. 2.3.1 Widerstandsthermometer In Widerstandsthermometern wird als Sensor ein temperaturabhängiger Widerstand eingesetzt, der von einem konstanten Strom gespeist wird. Der Strom muss möglichst klein in der Größenordnung 1 mA gehalten werden, damit sich der Widerstand durch ihn nicht störend erwärmt. Gemessen wird der Unterschied der Spannung am Widerstand, der sogenannte Spannungsabfall. Die gemessene Spannung verhält sich proportional zum Widerstand. Das Signal braucht deshalb nur noch an das auswertende Gerät angepasst und als Maß für die Temperatur verwendet zu werden. 12 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Grundlagen Für Widerstandsthermometer wird oft die Abkürzung RTD (englisch: Resistance Temperature Detector) verwendet. Abhängig vom Einsatzzweck und vom Anspruch an die Messgenauigkeit werden Widerstandsthermometer in unterschiedlicher Weise an Auswertungsgeräte angeschlossen. 2-Leiter-Anschluss Für weniger exakte Messungen ist der 2-Leiter-Anschluss des Widerstandsthermometers geeignet. Da die Widerstände der Anschlussleitungen das Messergebnis verfälschen, sollten die Anschlussleitungen möglichst kurz sein und je 10 m nicht überschreiten. Die Leitungswiderstände können zur Steigerung der Genauigkeit ermittelt und bei vielen Messumformern vom gemessenen Widerstand abgezogen werden. Bei 1 mm2-Kupferleitung liegt der Widerstand bei ca. 0,17 Ω je 10 m. 0,385 Ω entsprechen bei einem Widerstandsthermometer des Typs Pt 100 ca. 1 ºK Temperaturänderung. RL UT = U1 - (2 Iconst RL) RT = UT / Iconst I RT UT Iconst U1 RL Widerstandsthermometer Bild 2-3 Leitungen Stromversorgung und Auswertung 2-Leiter-Anschluss bei einem Widerstandsthermometer U1: Mit Spannungsmessgerät gemessener Gesamt-Spannungsabfall UT: Spannungsabfall am Messwiderstand RT: Widerstand des Messwiderstandes RL: Widerstand einer Leitung zwischen Spannungsmessgerät und Messwiderstand Iconst: Konstantstromquelle (mit elektronisch geregelter Stromabgabe) Die Änderung der Leitungswiderstände durch Änderung der Umgebungstemperatur wird beim 2-Leiter-Anschluss des Messwiderstandes nicht berücksichtigt und führt zu Verfälschungen des Messergebnisses. Für größere Leitungslängen und exaktere Messungen sollte der 3- oder 4-Leiter-Anschluss des Widerstandsthermometers verwendet werden. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 13 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 3-Leiter-Anschluss Der 3-Leiter-Anschluss ist für längere Leitungen als 10 m zwischen Sensor und Messumformer geeignet. Hier wird der Messwiderstand durch eine zusätzliche dritte Leitung mit der Auswerteeinheit verbunden. Diese Leitung wird in der Beschaltung nach Bild 2-4 nicht vom Messstrom durchflossen. Dadurch kann der Widerstand einer der beiden stromdurchflossenen Leitungen und dessen temperaturabhängige Änderung gemessen und berücksichtigt werden. Voraussetzung hierfür ist, dass die Widerstände der beiden stromdurchflossenen Leitungen gleich sind. Da dies in der Regel bei Verwendung einer 3-adrigen Leitung zutrifft, wird der 3-Leiter-Anschluss am häufigsten eingesetzt. RL U1 = Iconst RT + Iconst RL I RT U2 = Iconst RL UT U1 UT = U1 - U2 RL RT = UT / Iconst RL I Widerstandsthermometer Bild 2-4 Leitungen Iconst U2 Stromversorgung und Auswertung 3-Leiter-Anschluss bei einem Widerstandsthermometer U1: Mit Spannungsmessgerät 1 gemessener Spannungsabfall an RT und RL U2: Mit Spannungsmessgerät 2 gemessener Spannungsabfall an RL UT: Spannungsabfall am Messwiderstand RT: Widerstand des Messwiderstands RL: Widerstand einer Leitung zwischen Spannungsmessgerät und Messwiderstand (muss für die beiden stromdurchflossenen Leitungen gleich sein) Iconst: Konstantstromquelle (mit elektronisch geregelter Stromabgabe) Es gibt neben der in Bild 2-4 dargestellten Beschaltung eine Variante des 3-Leiter-Anschlusses mit zwei Stromquellen, wie sie mit dem Trennverstärker-Typ MACX MCR-T-UIUP mit ADC1 realisiert wird. Vorteil: Es wird nur eine Spannungsmessung benötigt. 1 14 PHOENIX CONTACT Analog Digital Converter (Analog-Digital-Umsetzer) 105238_de_00 Grundlagen 4-Leiter-Anschluss Der 4-Leiter-Anschluss ist für längere Leitungen als 10 m zwischen Sensor und Messumformer geeignet. Beim 4-Leiter-Anschluss werden zwei Messleitungen am Messwiderstand angeschlossen, die beide nicht vom Messstrom durchflossen werden. Hierdurch spielen Größe und Unterschiede der Leitungswiderstände keine Rolle mehr. Der 4-Leiter-Anschluss ermöglicht die genauesten Messungen unter Verwendung von Widerstandsthermometern. R1 RT RT = UT / Iconst UT Bild 2-5 U1: Iconst R2 R3 R4 Widerstandsthermometer I U1=UT I Leitungen Stromversorgung und Auswertung 4-Leiter-Anschluss bei einem Widerstandsthermometer Mit Spannungsmessgerät gemessener Spannungsabfall an RT UT: Spannungsabfall am Messwiderstand RT: Widerstand des Messwiderstands R1...4: Widerstände der Leitung zwischen Spannungsmessgerät und Messwiderstand (können für alle Leitungen unterschiedlich sein: R1 ≠R2 ≠R3 ≠R4) Iconst: Konstantstromquelle (mit elektronisch geregelter Stromabgabe Für eine gute CMV1-Unterdrückung des Messumformers ist es vorteilhaft, wenn R2 und R3 gleich sind. 1 105238_de_00 Common Mode Voltage (Gleichtaktspannung) PHOENIX CONTACT 15 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 2.4 Thermoelemente Thermoelemente bestehen aus zwei einseitig miteinander verbundenen Leitern aus unterschiedlichen Metallen, die unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften besitzen, sich in einem Temperaturgefälle befinden und deshalb einen Wärmefluss in elektrische Spannung umsetzen. Gemessen wird die elektrische Spannung an den beiden Anschlüssen des Thermoelements. Kaltstellenkompensation Jedoch wird bei einem Thermoelement nicht nur eine Spannung an der Verbindungsstelle des Thermopaares erzeugt, sondern auch an den beiden Anschluss-Stellen des Messumformers, da diese jeweils zusammen mit der angeschlossenen Leitung des Thermoelements ein weiteres Thermoelement bilden. Um aus dieser Spannungsdifferenz und somit auch Temperaturdifferenz den absoluten Temperaturwert der Messstelle errechnen zu können, muss die Temperatur der Anschlussstellen gleich und bekannt sein. Hierzu werden die Anschluss-Stellen künstlich auf einer bekannten Temperatur gehalten, bei Messungen im Labor z. B. durch Eiswasser auf 0 °C, in industriellen Anwendungen durch thermostatisch geregelte Beheizung und Kühlung. Die Berücksichtigung der Anschlussstellentemperatur wird Kaltstellenkompensation genannt. Sie kann ebenfalls mit Hilfe einer gesonderten Temperaturmessung an den Anschluss-Stellen umgesetzt werden. Für den Anschluss von Thermoelementen stehen Interface-Bausteine zur Verfügung, welche die Kaltstellenkompensation bereits beinhalten. Solche Interface-Bausteine sind gleichzeitig Signalumformer mit Anschlüssen für Leitungen zur Auswerteeinheit. Für Thermoelemente wird oft die Abkürzung TC (englisch: Thermocouple) verwendet. A UT T1 UT B T2 Thermoelement Bild 2-6 16 PHOENIX CONTACT Interface-Baustein am Sensor einschließlich Kaltstellenkompensation Thermoelement-Anschluss T1: Temperatur an der Messstelle T2: Temperatur an der Anschlussstelle UT: Generierte Spannung zwischen Messstelle und Anschlussstelle, gibt durch Berücksichtigung der Anschlussstellentemperatur T2 die absolute Temperatur T1 an der Messstelle an 105238_de_00 Grundlagen 2.4.1 Tabelle 2-1 Übersichtstabellen Verbreitete Temperaturmessverfahren Fühlerart Merkmale Widerstandsthermometer, RTD Gemessene Eigenschaft Widerstand Thermoelement, TC Temperaturdifferenz (wird durch Spannungsabfall gemessen (erzeugt eine Spannung) und ist abhängig von der absoluten Temperatur) Temperaturbereich nach oben relativ begrenzt: -200 °C bis +850 °C -250 °C bis +3000 °C Genauigkeit sehr gut gut Reaktionszeiten lang kurz Vergleichsstelle nicht erforderlich erforderlich (Referenzmessung / Kaltstellenkompensation) Material des Messfühlers Platin, Kupfer oder Nickel Paare verschiedener Metalle Robustheit gut sehr gut Vibrationsbeständigkeit sehr empfindlich (unvergossen) sehr robust Langzeitstabilität sehr gut befriedigend Selbsterwärmung muss berücksichtigt werden tritt nicht auf Messung von Oberflächentemperatur nur bedingt geeignet geeignet Sensorabmessungen/ Messstelle relativ groß/ Länge des Messwiderstandes sehr kleine Sensoren herstellbar, punktförmig Charakteristik weitgehend linear nicht linear elektrische Signalstärke klein sehr klein (ca. 0,4 mV pro Grad K bei 1 mA Messstrom, bei Pt 100) (einige μV pro Grad Temperaturdifferenz) Versorgung mit Mess-Strom erforderlich nicht erforderlich Anschlussleitungen Instrumenten-Kupferleitung Thermomaterial oder Ausgleichsleitung (günstiger) Preis relativ teuer eher günstig (außer PT-Legierungen) 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 17 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Tabelle 2-2 Typ Widerstandsthermometer-Typen Normung Temperaturbereich [°C] Pt 100 IEC751 / GOST 6651 Į = 0,00385 −200 ... +850 Pt 200 IEC751 / GOST 6651 Į = 0,00385 −200 ... +850 Pt 500 IEC751 / GOST 6651 Į = 0,00385 −200 ... +850 Pt 1000 IEC751 / GOST 6651 Į = 0,00385 −200 ... +850 Pt 100 GOST 6651 Į = 0,00391 −200 ... +850 Pt 100 GOST 6651 Į = 0,00391 −200 ... +850 Pt 100 JIS C1604-1997 −200 ... +850 Pt 1000 JIS C1604-1997 −200 ... +850 Ni 100 DIN 43760 −60 ... +250 Ni 1000 DIN 43760 −60 ... +250 Cu 50 GOST 6651 Į = 0,00428 −180 ... +200 Cu 100 GOST 6651 Į = 0,00428 −180 ... +200 Cu 53 GOST 6651 Į = 0,00426 −50 ... +180 In den folgenden drei Tabellen werden exemplarisch die Kennlinien gängiger Widerstandsthermometer gezeigt. Die X-Achse stellt jeweils die Temperatur in °C dar, die Y-Achse den Widerstand in Ω. Kennlinie Pt 100 R [] Tabelle 2-3 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -400 Kennlinie Pt 100 (IEC 751) -200 0 200 400 600 800 1000 T [°C] 18 PHOENIX CONTACT °C Ω −200 18,52008 −100 60,25584 0 100 100 138,5055 200 175,856 300 212,0515 400 247,092 500 280,9775 600 313,708 700 345,2835 800 375,704 105238_de_00 Grundlagen Kennlinie Ni 100 R [] Tabelle 2-4 Kennlinie Ni 100 (DIN 43760) 350 300 250 °C Ω −50 74,255 0 100 50 129,105 200 100 161,7785 150 150 198,63475 100 200 240,66 50 250 289,15625 0 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 T [°C] Kennlinie Cu 53 R [] Tabelle 2-5 Kennlinie Cu 53 (GOST 6651 Į = 0,00426) 120 100 °C Ω −50 41,7100002 0 53,0001339 80 50 64,2897102 60 100 75,5787289 40 20 0 -100 -50 0 50 100 150 200 250 T [°C] 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 19 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Thermoelement-Typen Tabelle 2-6 Typ Thermoelement-Typen Normung Temperaturbereich [°C] IEC1-Farbcode nicht definiert B IEC584 +500 ... +1820 E IEC584 −230 ... +1000 - J IEC584 −210 ... +1200 - K IEC584 IEC584 IEC584 S IEC584 −50 ... +1768 T IEC584 −200 ... +400 L DIN 43710 -200 ... +900 - U DIN 43710 -200 ... +600 - A-1 GOST 8.585 0 ... +2500 - A-2 GOST 8.585 0 ... +1800 - A-3 GOST 8.585 0 ... +1800 - M GOST 8.585 -200 ... +100 - L GOST 8.585 -200 ... +800 - Thermospannung [mV] + nicht definiert - Kennlinien von Thermoelementen + −50 ... +1768 - 1 + −200 ... +1300 - R + −250 ... +1372 - N + + International Electrotechnical Commission 80 Typ E Typ J 60 Typ K Typ N 40 Typ T Typ S 20 Typ B 0 -20 -200 Typ R 0 200 600 1000 1400 1800 Temperatur [°C] Bild 2-7 20 PHOENIX CONTACT Kennlinien von Thermoelementen 105238_de_00 Grundlagen Näherungssensoren nach NAMUR1-Standard 2.5 NAMUR-Sensoren NAMUR-Sensoren sind Näherungssensoren, die verbreitet in der Prozesstechnik und im Maschinenbau eingesetzt werden. Für die unterschiedlichen Einsatzzwecke werden sie als optoelektronische, magnetinduktive, kapazitive und induktive Sensoren angeboten. Die elektrischen Eigenschaften von Sensoren nach NAMUR-Standard und ihre Messcharakteristik sind genormt (IEC 60947-5-6: Steuergeräte und Schaltelemente; GleichstromSchnittstelle für Näherungssensoren und Schaltverstärker) Sie können deshalb herstellerübergreifend ausgetauscht werden. NAMUR-Sensoren sind kurzschlussfest, Kurzschluss und Leitungsbruch können von der auswertenden Einheit erkannt werden. Ein Namur-Sensor benötigt keine gesonderte Stromversorgung, seine Speisung erfolgt über den Messstromkreis. Bild 2-8 zeigt das Messverhalten zweier NAMUR-Sensortypen. Die wesentlichen Eigenschaften werden anschließend erläutert. I [mA] 6,0 Kurzschluss kapazitiv/ magnetinduktiv induktiv 2,1 1,2 0,1 Leitungsbruch Sn S [mm] Bild 2-8 I [mA]: NAMUR-Sensor-Charakteristik (ohne optoelektrische Variante) Gemessener Ausgangsstrom des Sensors in mA S [mm]: Entfernung zwischen Objekt und Sensor in mm Sn: Entfernungsstrecke zwischen den beiden Schaltpunkten, die den zugehörigen Stromwerten entsprechen und auf die das Schaltverhalten der auswertenden Einheit eingestellt werden sollte. Bei kapazitiven und magnetinduktiven Sensorvarianten sinkt der gemessene Sensor-Ausgangsstrom, wenn sich das Objekt vom Sensor weiter entfernt, dagegen steigt bei induktiven Sensorvarianten der Ausgangsstrom. Hysterese Die gestrichelten Linien deuten die Schaltpunkte an, auf welche die auswertende Einheit eingestellt werden sollte. Die Linien sind paarig eingezeichnet, um den Versatz (die sogenannte Hysterese) anzudeuten, mit dem zwei Schaltpunkte eingestellt werden sollten. Damit wird gewährleistet, dass es nicht zum Flattern zwischen Ein- und Ausschalten kommt, wenn nur ein einziger Schaltpunkt eingestellt wird und sich Objekt und Sensor in Entfernung nahe diesem Schaltpunkt bewegen. 1 105238_de_00 Die Abkürzung „NAMUR“ ergibt sich aus dem ehemaligen Verbandsnamen „Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie“. Die Abkürzung wurde beibehalten. PHOENIX CONTACT 21 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Beispiel Bei einem kapazitiven Sensor sollte die Auswerteeinheit einen gemessenen Strom von 1,2 mA als Ausschaltsignal verwenden, wenn sich das Objekt vom Sensor entfernt. Bei erneuter Näherung des Objektes sollte jedoch erst bei einem gemessenen Strom von 2,1 mA wieder eingeschaltet werden. Misst die auswertende Einheit einen Sensor-Ausgangsstrom von 6 mA oder mehr, liegt ein Kurzschluss im Sensor oder zwischen den beiden Anschlussleitungen vor. Misst die auswertende Einheit einen Sensor-Ausgangsstrom von 0,1 mA oder weniger, liegt eine Unterbrechung des Stromkreises im Sensor oder der Anschlussleitungen vor. 2.6 Normsignale Als Normsignal nach DIN IEC 60381 - auch Einheitssignal genannt - bezeichnet man in der MSR-Technik elektrische Signale mit folgenden grundlegenden Eigenschaften: – Definierter Wertebereich mit folgenden elektrischen Ausprägungen: Stromnormsignal (DIN IEC 60381-1) 0 mA ... 20 mA 4 mA ... 20 mA (stromführender Nullpunkt, englisch: life-zero) – Spannungsnormsignal (DIN IEC 60381-2) 0 V ... 10 V 0 V ... 5 V 1 V ... 5 V (spannungsführender Nullpunkt) -10 V ... +10 V (spannungsführender Nullpunkt) Basis für herstellerübergreifend normierte und austauschbare elektrische Komponenten mit vereinfachter Signalverarbeitung Analoge Sensorsignale können in einem Interface-Baustein je nach Messaufgabe in eines der Normsignale gewandelt werden. Dabei muss das Ergebnis der Umsetzung möglichst proportional zum gemessenen Eingangswert sein, um die Messung nicht zu verzerren. Ist der untere Wert des Normsignal-Wertebereichs auf 1/-10 V bzw. 4 mA festgelegt, dann kann die Unterbrechung des Messkreises erkannt werden, wenn der Wert 0 (V bzw. mA) von der auswertenden Komponente registriert wird. Ist der untere Wert des Wertebereichs jedoch mit 0 (V oder mA) festgelegt, kann die auswertende Komponente beim Wert 0 dieser sogenannten „True-Zero-Signale“ nicht unterscheiden, ob es sich um die korrekte Messung des untersten Wertes oder um eine Kabelunterbrechung handelt. In fast allen industriellen Anwendungen werden die „Life-Zero-Signale“ verwendet, bei denen 1/-10 V bzw. 4 mA den Nullpunkt der Messung repräsentieren. Vorteile des Stromnormsignals 22 PHOENIX CONTACT Das Stromnormsignal 0/4 mA ... 20 mA ist unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störungen als das Spannungsnormsignal und ist in weiten Bereichen immun gegen die Nachteile langer Leitungswege zwischen Signalquelle und auswertender Komponente. Es erfüllt die hohen Genauigkeitsanforderungen, die an viele Anwendungen in der Prozessautomatisierung gestellt werden. 105238_de_00 Grundlagen Das weniger robuste Spannungsnormsignal wird stärker durch die Spannungsverluste langer Leitungen beeinflusst und deshalb eher in Gebäude- und Fabrikautomatisierung verwendet, bei der die Genauigkeitsanforderungen geringer sind als bei der Prozessautomatisierung. Ebenso ist das Spannungsnormsignal anfälliger hinsichtlich elektromagnetischer Störungen (EMV). IN = active 2-wire Power IN OUT IN = active Signal Signal Power POWER Bild 2-9 – – – Transmitter Interface-Baustein mit Sensorspeisung und Normsignal-Ausgang Der Sensor wird vom Interface-Baustein gespeist und liefert ein Messsignal. Der Interface-Baustein wandelt das Messsignal in ein Normsignal (Spannungsnormsignal oder Stromnormsignal). Das Normsignal wird einer Komponente zugeführt, die das Normsignal auswertet. Wenn Sensor und Interface-Baustein in einem Gehäuse untergebracht sind, nennt man eine solche Einheit auch Transmitter. Liegt ein Spannungsnormsignal vor und wird ein Stromnormsignal benötigt, so stehen hierfür Spannungs-Strom-Normsignalwandler zur Verfügung. Ebenso können für den umgekehrten Fall genormte Strom-Spannungs-Normsignalwandler eingesetzt werden. In der MSR-Technik werden neben den genannten Normsignalen verbreitet unipolare und bipolare Signale in folgenden Bereichen verwendet: – 50 mV ... 100 V – 1 mA ... 100 mA 2.6.1 Normsignale 1 ... 5 V, 0 ... 10 V Typisch für Spannungsnormsignale sind Übertragungsfehler von 0,1 % (bei 50 Ω Leitungswiderstand und 10 kΩ Eingangswiderstand der auswertenden Einheit). 2.6.2 Stromnormsignale nach DIN IEC 60381-1 Beim Stromnormsignal muss zwischen aktivem Stromausgang (Stromquelle) und passivem Stromausgang (Stromsenke) unterschieden werden. Aktiver Stromausgang (Stromquelle) 105238_de_00 Ein Sensor oder Signalumformer mit aktivem Stromausgang gibt einen dem Messwert proportionalen Strom aus. Er bedient sich dabei einer eigenen Spannungsquelle. Diese kann eingebaut oder als gesondert angeschlossene Versorgung ausgeführt sein, ggf. mittels zusätzlicher Leitungen von der auswertenden Komponente. Beim Einsatz eines Sensors oder PHOENIX CONTACT 23 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Signalumformers mit aktivem Stromausgang muss die für dessen elektrischen Anschluss maximal zulässige Ohmsche Last, auch als Bürde bezeichnet, berücksichtigt werden. Sie ist in den Gerätedatenblättern spezifiziert. Bei Überlastung durch zu hohe Bürde wird das Messsignal verfälscht. Ein aktiver Stromausgang kann nicht nur für die Normierung von Messsignalen eingesetzt werden, sondern auch für die Ansteuerung von Aktoren. Zum Beispiel kann die Stromquelle ein Ventil steuern, das proportional zur abgegebenen Stromstärke eine Durchflussmenge zwischen von 0 % und 100 % regelt. Passiver Stromausgang (Stromsenke) 24 PHOENIX CONTACT Ein Sensor oder Signalumformer mit passivem Stromausgang ändert seinen Innenwiderstand proportional zum Messwert und damit den Strom in der Leiterschleife des MessStromkreises. Der Sensor oder Signalumformer wird über die beiden Messleitungen von der auswertenden Komponente versorgt und benötigt einen Anteil der Versorgungsspannung für seine Funktion. Beim Einsatz eines passiven Stromausgangs muss der maximal zulässige Spannungswert berücksichtigt werden. Er ist in den Gerätedatenblättern spezifiziert. Bei zu hoher Spannung kann das Messsignal verfälscht und das Gerät zerstört werden. 105238_de_00 Anwendungen 3 Anwendungen 3.1 Trennverstärker Die verschiedenen Funktionen, die Interface-Bausteine bei der Signalaufbereitung haben können, wurden bereits im vorigen Kapitel kurz angesprochen: – Verstärkung – Normierung – Filterung – Galvanische Trennung – Elektrische Speisung der angeschlossenen Komponenten – Leitungsüberwachung Die elektronischen Bausteine für diese Aufgaben werden zusammenfassend als Trennverstärker oder Signaltrenner bezeichnet und stehen mit unterschiedlichem Funktionsspektrum zur Verfügung: – Mit einer oder mehreren dieser Funktionen – Einstellbar für unterschiedliche Eingangs- und Ausgangssignale – Einstellbar über Schalter am Gerät oder über Fernkonfiguration vom Steuerungssystem aus Trennverstärker lassen sich hinsichtlich der Eingangssignaltypen in folgende Gruppen einteilen: – Trennverstärker für Binärsignale (Schaltverstärker mit Relais-/Schützfunktion, Frequenzumformer zur Drehzahl- und Drehrichtungsermittlung) – Trennverstärker für proportionale Analogsignale (Sensor-Speisegeräte und Messumformer mit Normsignalausgang, Grenzwertgeber) Die Hersteller von Automatisierungs- und Prozessleittechnik bieten ein breites Spektrum sowohl stark spezialisierter als auch universell einsetzbarer Trennverstärker an: – Trennverstärker mit nur einer, wenigen oder allen Basiseigenschaften, die einzeln zuund abschaltbar sein können – Konverter- und Interface-Bausteine mit weiteren Funktionen (siehe „Weitere Funktionen von Trennverstärkern“ auf Seite 33) – Kombinationen aus diesen Eigenschaften – Mehrkanalige Trennverstärker, die ein Eingangssignal in mehrere Ausgangssignale umsetzen oder mehrere Bausteine in einem Gehäuse vereinen Im Folgenden werden wichtige Basiseigenschaften der Trennverstärker an Schaltungsbeispielen erläutert. 3.1.1 Signalverstärkung Eine Signalverstärkung ist immer dann erforderlich, wenn ein Signal zu schwach ist und nur verfälscht oder gedämpft von der angeschlossenen Auswerteeinheit registriert werden kann. Ursächlich hierfür können folgende Faktoren sein, einzeln oder in Kombination: – Lange Leitungswege, hohe Leitungswiderstände – Hoher Eingangswiderstand der Auswerteeinheit oder hoher Summenwiderstand mehrerer in Reihe geschalteter Signal-“Verbraucher“ 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 25 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik – Signale von spannungsgenerierenden Sensoren oder Transmittern mit bauartbedingt schwacher Ausgangsleistung Der elektrotechnische Sprachgebrauch stellt für solche Fehlanpassungen die anschauliche Diagnose: Der Signalgeber bzw. das Signal kann die angeschlossene, zu hohe „Bürde“ nicht „treiben“. Die maximal zulässige Bürde für einen Signalausgang wird als Widerstandswert in den Datenblättern der elektrischen MSR-Komponenten angegeben. Problem Line > 1 km RLINE = 20 Ω RLOAD = 300 Ω RIN = 300 Ω 4 ... 20 mA Bild 3-1 – Fehlanpassung wegen hoher Leitungs- und Anschlusswiderstände Summe aus den Widerständen der Messsignalleitungen und dem AuswerteeinheitEingang: 20 Ω + 300 Ω = 320 Ω Die am Messsignalgeber angeschlossene Last ist mit 320 Ω höher als seine zulässige Höchstlast von 300 Ω. Der Messsignalgeber kann diese Bürde nicht treiben, das Messsignal wird verfälscht. Lösung RIN = 50 Ω RLOAD = 500 Ω RLOAD = 300 Ω RIN = 300 Ω Line > 1 km 4 ... 20 mA Bild 3-2 – – 4 ... 20 mA + 24 V DC Signalverstärkung zur Beseitigung der Fehlanpassung Einfügen eines Verstärkers für analoge Signale in die Anschlussleitungen für das Messsignal. Summe aus den Widerständen der Messsignalleitungen und dem Verstärker-Eingang: 20 Ω + 50 Ω = 70 Ω Die am Messsignalgeber angeschlossene Last ist mit 70 Ω kleiner als seine zulässige Höchstlast von 300 Ω. Der Eingangswiderstand der Auswerteeinheit von 300 Ω überlastet den Verstärkerausgang ebenfalls nicht, weil er eine Bürde bis zu 500 Ω treiben kann. Das Messsignal wird nicht verfälscht. 26 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Anwendungen 3.1.2 Konvertierung in ein Normsignal Im Beispiel zur Signalverstärkung liefert der Transmitter zur Druckmessung bereits ein 4 ... 20 mA-Normsignal. Der Transmitter selbst beherbergt einen Messwertgeber und einen Signalverstärker, der das Normsignal liefert. Der Messwertgeber im Transmitter besteht in der Regel aus einem piezoelektrischen Element, an dessen Oberfläche durch Druck Ladungen entstehen, die als Spannungsabfall über das Element gemessen werden können. Der Signalverstärker verfügt über eine Stromversorgung, verstärkt mit deren Hilfe das Messsignal und konvertiert es in das Normsignal, das der Transmitter dann ausgangsseitig an seinen Messsignalanschlüssen liefert. Transmitter können je nach Einsatzzweck Messumformer beinhalten, die keine Verstärkungsfunktion haben. So kann z. B. zur Messung höherer elektrischer Wechselspannungen ein Spannungswandler eingesetzt werden, dessen Eingang direkt an die zu messende Spannung angeschlossen ist und ausgangsseitig ein Spannungsnormsignal liefert. Den Anschluss eines Interface-Bausteins mit Normsignalausgang zeigt in allgemeiner Form Abschnitt „Normsignale“ auf Seite 2-8. Die Verwendung eines Normsignalwandlers zeigt Bild 3-3. 4 … 20 mA 0 … 10 V + 24 V DC Bild 3-3 Normsignalwandler Problem – Der Sensor oder Transmitter liefert ein 4 ... 20 mA-Normsignal. Die Auswerteeinheit benötigt ein 0 ... 10 V-Signal. Lösung – Der zwischen Transmitter und Auswerteeinheit geschaltete Normsignalwandler nimmt die geforderte Anpassung vor. 3.1.3 Filterung Trennverstärker mit Filterfunktion erkennen und unterdrücken Störspannungen in einem weiten Frequenzspektrum. Um weiteren Störungen aus solchen Ursachen vorzubeugen, sollte die Umsetzung eines Spannungssignals in ein Stromsignal erfolgen. U U t t 0 … 10 V 0 … 10 V + 24 V DC Bild 3-4 105238_de_00 Signalfilterung PHOENIX CONTACT 27 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Problem In Leitungen zur Messwertübertragung können Störspannungen auftreten: – Durch elektromagnetische Induktion, verursacht durch Ströme in elektrischen Leitungen, die in der Nähe verlaufen (siehe Bild 3-4) – Durch Einwirken hochfrequenter Signale, verursacht durch elektrische Geräte in der Industrieumgebung, z. B. von Frequenzumrichtern Lösung Die Störungen sind besonders ausgeprägt, wenn Spannungssignale betroffen sind. Die Signalübertragung kann durch die Ausführung der verwendeten Leitungen in gewissem Umfang vor solchen Störungen geschützt werden: – Verdrillte Leitungen verringern die Störeinflüsse durch in die Leitung induzierte Spannungen. Die leitenden Umhüllungen abgeschirmter Leitungen reflektieren und absorbieren elektrische Felder, denen die Leitungen ausgesetzt sind. 3.1.4 Galvanische Trennung Es gibt verschiedene Gründe, den Stromkreis, in dem sich ein Sensor oder Transmitter befindet, von dem Stromkreis zu trennen, in dem sich die Auswerteeinheit befindet: – Zur Unterbrechung und Verhinderung von Ausgleichsströmen zwischen Potenzialunterschieden und von elektromagnetischen Störungen in der Messtechnik, Datenübertragung und elektroakustischen Anlagen – Zur Erhöhung des Schutzes und der Sicherheit von elektrischen Geräten und Anlagen vor gefährlichen Spannungen und Spannungsimpulsen Je nach Anwendungsfall kann die galvanische Trennung - auch als galvanische Entkopplung oder galvanische Isolation bezeichnet - auf unterschiedliche Weise erfolgen: – Induktiv durch Transformatoren (für Wechselspannungen und Impulse) – Kapazitiv durch Kondensatoren (für hochfrequente Signale) – Optisch durch Optokoppler oder Lichtleiterstrecken (für alle Arten von Informationen) – Mechanisch durch Relais und Pneumatikelemente (zur Übertragung von elektromechanischen/-pneumatischen Schaltzuständen und Impulsen) Jedes dieser Verfahren hat seine Vor- und Nachteile. So bieten z. B. Optokoppler eine hohe Isolationsfestigkeit, erlauben jedoch keine Energieübertragung und unterliegen unerwünschten Alterungsprozessen. Konventionelle Transformatoren erlauben die Energieübertragung, sind jedoch groß und teuer. In das Halbleitermaterial von integrierten Schaltungen eingebettete Mikrospulen („Coreless Transformers“) haben diesen Nachteil nicht, büßen jedoch in der Regel die Energieübertragungsfunktion ein. Eine Ausnahme bilden hier digitale Signalübertrager, z. B. vom Typ ADuM5421. Eine galvanisch getrennte Signalverbindung wird als potenzialfreie Verbindung bezeichnet, weil über sie keine Ausgleichsströme zwischen Potenzialunterschieden fließen. In der Anlagen- und Prozesstechnik hat sich die galvanische Trennung der Stromkreise des Felds von denen der Anlagensteuerung durchgesetzt. „Feld“ ist dabei die fachsprachlich zusammenfassende Bezeichnung aller Sensoren, Transmitter und Aktoren in der gesteuerten Anlage. Darüber hinaus werden oft zusätzliche galvanische Stromkreistrennungen im Bereich des Felds vorgenommen. 28 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Anwendungen Problem I1 = 20 2 mA I2 = 18 mA Ig = 2 mA Erdstromschleife 2.000 mA Potenzial 2 Potenzial 1 Bild 3-5 – – Erdstromschleife Transmitter und Auswerteeinheit sind geerdet, weisen jedoch unterschiedliche Erdpotenziale auf. Ein Ausgleichsstrom I2 fließt durch eine der Anschlussleitungen für das Messsignal Ig und verfälscht dieses. Gemessen wird das vom Messsignal Ig abweichende Signal I1. Lösung I1 = 2 20 mA I2 = 20 mA + 24 V DC Ig = 0 mA keine Erdstromschleife 0.000 mA Potenzial 1 Bild 3-6 – – 105238_de_00 Potenzial 2 Galvanische Trennung zur Unterbrechung von Erdstromschleifen Einfügen eines galvanischen Signaltrenners, z. B. eines Übertragers, in die Anschlussleitungen für das Messsignal. Es fließt kein Ausgleichsstrom I2 mehr. Gemessen wird das mit dem Messsignal Ig identische I1. PHOENIX CONTACT 29 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 3.1.5 Elektrische Speisung und Trennung der Signalwege An den Eingangsklemmen eines Trennverstärkers oder einer Auswerteeinheit unterscheidet man zwischen passivem und aktivem Eingang, abhängig davon, ob der angeschlossene Sensor oder Transmitter über eine eigene Stromversorgung verfügt oder über die Sensorsignalleitungen versorgt wird. Passiver Eingang 4-wire = active Power IN = passive OUT = active IN = passive Signal Power Signal Bild 3-7 – – – Beispiele für einen passiven Signaleingang Der Signaleingang hat allein die Funktion, das Signal zu empfangen. Im Beispiel haben Trennverstärker und Auswerteeinheit passive Eingänge. Der aktive Sensor/Transmitter (mit 4 Anschlüssen) speist den passiven Eingang des Trennverstärkers. Der aktive Ausgang des Trennverstärkers speist den passiven Eingang der Auswerteeinheit. Aktiver Eingang 2-wire = passive IN = active OUT = active IN = passive Power Signal Power Signal Bild 3-8 Beispiel für einen aktiven Signaleingang Der Signaleingang hat zwei Funktionen: 1. Empfangen des Signals 2. Stromversorgung des Signalgebers – – 30 PHOENIX CONTACT Im Beispiel hat der Trennverstärker einen aktiven Eingang. Er speist den 2- oder 3-Leiter-Sensor/Transmitter. Der aktive Ausgang des Trennverstärkers speist den passiven Eingang der Auswerteeinheit (wie im vorigen Beispiel). Komponenten, die elektrisch gespeist werden müssen, können durch gesonderte Stromversorgungen oder über die Signalleitungen versorgt werden. 105238_de_00 Anwendungen Tabelle 3-1 Speisungswege für Signaltrenner: Vor- und Nachteile Stromversorgung Vorteile Nachteile Gesondert – Trennung des Versorgungskreises von den Signalkreisen – Mehraufwand an Material und Kosten Material- und Kosteneinsparungen – nicht für alle Anwendungen einfach umsetzbar erhöhtes Störungsrisiko Über Signalleitungen – – Passive Isolation (eingangsschleifengespeist) 4-wire = active IN = passive OUT = active IN = passive Power Power Signal Signal Bild 3-9 Beispiel 1 für passive Isolation (eingansschleifengespeist) Trennverstärkerspeisung über seinen Signaleingang durch Transmitter (eingangsschleifengespeist) – Die Signalwege zwischen aktivem (4-Anschluss-) Sensor/Transmitter und Trennverstärker sind nicht von der Transmitterspeisung getrennt. Der Sensor/Transmitter muss die gesamte Bürde aus Trennverstärker und Auswerteeinheit-Eingang treiben. Passive Isolation (ausgangsschleifengespeist) IN = passive 4-wire = active OUT = passive IN = active Power Power Bild 3-10 Signal Signal Beispiel 2 für passive Isolation (ausgansschleifengespeist) Trennverstärkerspeisung über den Signalausgang durch die Auswerteeinheit (ausgangsschleifengespeist) – Der Signalweg zwischen Sensor/Transmitter und Trennverstärker ist von der Transmitterspeisung getrennt. – Der Signalweg zwischen Trennverstärker und Auswerteeinheit ist nicht von der Speisung der Auswerteeinheit getrennt. Nur für das 4 ... 20 mA-Ausgangsignal geeignet. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 31 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 3.1.6 Leitungsüberwachung In Bild 2-2 auf Seite 12 wurde bereits für den Anschluss eines Schalters an eine Auswerteeinheit gezeigt, wie mit zwei Widerständen eine einfache Überwachung einer 2-Draht-Leitung auf Leitungsunterbrechung und Kurzschluss realisiert werden kann. Diese Überwachungsfunktion ist in den Empfehlungen NE 21 der Interessengemeinschaft Automatisierungstechnik der Prozessindustrie näher spezifiziert. Zur Leitungsüberwachung stehen spezialisierte Interface-Bausteine zur Verfügung, die keine weiteren Überwachungsfunktionen haben. Die Leitungsüberwachung ist als zusätzliche Funktion in vielen Interface-Bausteinen integriert. Fehler werden bei ihnen an gesonderten Klemmen signalisiert und durch Leuchtdioden auf den Bausteinen angezeigt. Die folgende Grafik zeigt schematisch, wie Leitungsüberwachung auf dem gesamten Signalübertragungsweg vom Sensor bis zur Auswerteeinheit eingesetzt wird. Sensor / Field OUT IN PLC / DCS 400 R 2 k 400 R 2 k 10 k 10 k POWER Schalter mit Widerständen Bild 3-11 32 PHOENIX CONTACT Leitungsüberwachung Stromversorgung und Auswertung Leitungsüberwachung 105238_de_00 Anwendungen 3.1.7 Weitere Funktionen von Trennverstärkern Neben den Basisfunktionen der Trennverstärker gibt es in der MSR-Technik eine ganze Reihe weiterer Funktionen, für die Interface-Bausteine verfügbar sind. Die Bausteine können einkanalig, mehrkanalig oder zusammen mit anderen Funktionen in einem Gehäuse aufgebaut sein: – Schaltverstärker mit Relaisfunktion für hohe Lasten – Konfigurierbare Grenzwertgeber, Vergleicher – Für Temperatursensoren spezialisierte Messumformer – Verstärker zum Anschluss von Dehnungsmessstreifen – Frequenz-Analog-Messumformer, Analog- Frequenz-Messumformer – Konfigurierbare Konverter zur Umrechnung von Messwerten (etwa bei einem unregelmäßig geformten Tank zur Linearisierung von Füllstandswerten, die nicht proportional zur Füllmenge sind) – HART-transparente Interface-Bausteine (siehe Abschnitt „HART®“ auf Seite 50) – Multiplexer, die mehrere parallel einlaufende Analogsignale bündeln und serialisiert als ein Signal auf einem Leitungspaar der Auswerteeinheit zuführen. Die Dekodierung der Signalfolge in die einzelnen Eingangssignale erfolgt digital mit Hilfe einer gesonderten Verbindung. Signalmultiplexer gibt es als gesonderte Interface-Bausteine und auch integriert in mehrkanalige Trennverstärker. 1x Analog IN Power er 4…20 mA AO x PT100 PLC C DO DO DO 8x Analog IN Bild 3-12 MINI MCR-SLMUX 3 x Digital IN Beispiel eines 8-kanaligen Trennverstärkers mit Multiplexer Multiplexer ermöglichen die Einsparung sowohl von teuren Analogeingängen an der zentralen Auswerteeinheit als auch von Adern in langen Leitungen zwischen Multiplexer und Auswerteeinheit. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 33 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 3.1.8 Analoge und digitale Signalein- und -ausgänge Von Funktion und Einsatzbereich eines Interface-Bausteins hängt es ab, wie seine Ein- und Ausgänge zu „beschalten“ sind, d. h., welche anderen elektrischen Komponenten sinnvoll angeschlossen werden können. Deshalb werden Interface-Bausteine wesentlich durch Wertebereiche für ihre Ein- und Ausgänge spezifiziert. Weiterhin lassen sie sich durch Angaben zur Stromversorgung, zu weiteren elektrophysikalischen Eigenschaften, Bauform und Abmessungen spezifizieren. Grundlegend klassifiziert werden die Bausteine durch die Angabe, ob die Signalein- und ausgänge analoge oder digitale Signale verarbeiten. (Zur Unterscheidung von analogen und digitalen Signalen siehe „Um welche Signale geht es?“ auf Seite 7.) In der Automatisierungs- und Prozessleittechnik werden hauptsächlich Interface-Bausteine folgender Typen eingesetzt. Sie können ein- oder mehrkanalig ausgeführt sein, als Kombination mehrerer Typen in einem Baustein und/oder für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen: Tabelle 3-2 IN Interface-Bausteine mit analogen und digitalen Signalein- (IN) und -ausgängen (OUT) OUT Typ Beispiele – – Trennverstärker Analog Analog – – – Universal-Trennverstärker Eingangstrenner (zur Trennung von Signalgebern im Feld von der Steuerung) Speisetrenner (mit Energieversorgung für den Signalgeber) Signalverdoppler Ausgangstrenner (zur Trennung der Aktoren im Feld von der Steuerung); ohne oder mit HART-Transparenz Ausgang proportional zum Eingang oder auch mit anderer Charakteristik konfigurierbar. Temperaturmessumformer Analog Digital Grenz- und Schwellwertgeber Für Signale von RTDs und TCs; siehe „Temperaturmessung“ auf Seite 12 Für analoge Signale von Potenziometern, Temperatursensoren etc.; mehrere Ausgänge möglich; mit Relais- oder Transistorausgang, mehrere Ausgänge möglich – – Digital Digital Trennverstärker – Für Schaltkontakte NAMUR-Trennverstärker für Näherungssensoren (kapazitiv/magnetinduktiv, induktiv, optisch); siehe „Näherungssensoren nach NAMUR-Standard“ auf Seite 21 Digitale Ventilsteuerbausteine Mit Relais- oder Transistorausgang, mehrere Ausgänge möglich Digital Analog Frequenzmessumformer D/A-Wandler mir analogem Ausgang, der sich proportional zur Frequenz verhält oder auch mit anderer Charakteristik konfigurierbar ist Applikationsbeispiele zu den vier Typen finden Sie im folgenden Unterkapitel. 34 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Anwendungen 3.2 Applikationsbeispiele Die folgenden Beispiele zeigen typische Anwendungen von Trennverstärkern. Die Anwendung wird jeweils kurz erläutert, und eine Schaltskizze zeigt, wie Signalgeber und Auswerteeinheit (z. B. die Steuerung) angeschlossen sind. In den Texten zu den Applikationsbeispielen steht der Begriff „Trennverstärker“ für aktive Trennverstärker mit eigener elektrischer Versorgung. Passive Trennverstärker ohne eigene, gesonderte elektrische Versorgung werden als „Passivtrenner“ bezeichnet. 3.2.1 Analog IN / Analog OUT Messung der Stromaufnahme eines Gleichstrom-Elektromotors mit Hilfe eines Shunts In der Regel wird für Strommessung im kleinen und mittleren Leistungsbereich ein niederohmiger (Shunt-)Widerstand eingesetzt, der im Stromkreis in Reihe mit dem Verbraucher liegt. Proportional zum Strom, der den Shunt durchfließt, fällt an ihm eine elektrische Spannung ab. Diese Spannung wird gemessen und aus ihr nach dem Ohmschen Gesetz die Stärke des elektrischen Stromes berechnet, die durch den Shunt zum Verbraucher fließt. – Der aktive Sensor liefert ein zur Motor-Stromaufnahme proportionales Spannungssignal an den passiven Trennverstärker-Eingang. – Der Trennverstärker liefert ein zum Eingangssignal analoges aktives Stromausgangssignal an einen passiven Eingang der Auswerteeinheit. Sensor / Field M - 4.2 ShuntWiderstand + PLC / DCS OUT IN ±50mV... ±1000mV ±1mA... ±5mA active ±10mA... ±100mA - 3.2 + 3.1 4.1 mV GND 2.2 passive ±1V... ±100V 2.1 + – Batterie - 5.2 + GND 5.1 +24V 1.2 +24 V DC 1.1 Power GND +24V Bild 3-13 105238_de_00 Strommessung mit Shunt PHOENIX CONTACT 35 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Druckmessung in einem explosionsgeschützten Bereich – – Der passive 2-Leiter-Sensor liefert ein zum Druck proportionales Stromsignal an den aktiven Eingang des Trennverstärkers. Der Trennverstärker liefert ein zum Eingangssignal proportionales aktives Stromausgangssignal an einen passiven Eingang der Auswerteeinheit. Sensor / Field OUT IN - 4.2 + PLC / DCS AI passive 3.2 4.1 3.1 + 2.2 2.1 - 5.2 + 250 Ω GND 5.1 +24V 1.2 1.1 Power GND +24V Zone 0,1,2 Zone 20,21,22 Zone 2 Div. 1,2 Div. 2 Bild 3-14 36 PHOENIX CONTACT Druckmessung im Ex-Bereich mit einem Speisetrenner MACX 105238_de_00 Anwendungen Durchflussmessung in einem explosionsgeschützten Bereich – – Der aktive 4-Leiter-Sensor liefert ein zum Durchfluss proportionales Stromsignal an den passiven Eingang des Trennverstärkers. Der Trennverstärker liefert ein zum Eingangssignal proportionales passives Stromausgangssignal an einen aktiven Eingang der Auswerteeinheit. Sensor / Field OUT IN - 4.2 + PLC / DCS AI active 3.2 4.1 3.1 + - 2.2 2.1 - 5.2 + 250 Ω GND 5.1 +24V 1.2 1.1 Power GND +24V Zone 0,1,2 Zone 20,21,22 Zone 2 Div. 1,2 Div. 2 Bild 3-15 105238_de_00 Durchflussmessung im Ex-Bereich mit einem Speisetrenner MACX PHOENIX CONTACT 37 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Regelventilansteuerung in einem explosionsgeschützten Bereich – – Der aktive Ausgang der Steuereinheit liefert ein analoges Stromsignal an den passiven Eingang des Trennverstärkers (Ausgangstrenner). Der Trennverstärker liefert ein zum Eingangssignal proportionales aktives Stromausgangssignal an das Regelventil, das durch dieses Signal betrieben wird. – Sensor / Field IN OUT PLC / DCS A0 - - 4.2 + 3.2 + 4.1 3.1 GND +24V 1.2 1.1 Power Zone 0,1,2 Zone 20,21,22 Div. 1,2 Bild 3-16 38 PHOENIX CONTACT GND +24V Zone 2 Div. 2 Regelventilansteuerung im Ex-Bereich mit einem Trennverstärker MACX MCR-SL-IDSI-I 105238_de_00 Anwendungen Hebebühnensteuerung mit Potenziometer-Sensor – – – Der passive Potenziometer-Sensor liefert ein analoges Istwert-Signal an den aktiven Eingang des Trennverstärkers. Der Trennverstärker liefert ein zum Eingangssignal analoges aktives Spannungsausgangssignal an einen passiven Istwert-Eingang des Reglers. Die Steuerung liefert ein analoges Spannungssignal an den Sollwert-Eingang des Reglers. Der Regler vergleicht Ist- und Sollwert und steuert den Motor, bis der Istwert den Sollwert erreicht hat. Sensor / Field OUT IN S-Port 1 2 3 IN PLC / DCS TI+ + 5 OUT U, I+ active passive 6 – OUT U, I– IN PWR+ IN 4 7 + PWR– 8 – PWR– PWR+ FM Zone 2 Bild 3-17 105238_de_00 Hebebühnensteuerung über Potenziometer-Sensor mit einem Trennverstärker MINI MCR-SL-R-UI PHOENIX CONTACT 39 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Durchflussmessung unter Verwendung eines Passivtrenners – – Der aktive 4-Leiter-Sensor liefert ein zum Durchfluss analoges Stromsignal an den passiven Eingang des eingangsschleifengespeisten Passivtrenners (Trennverstärker ohne eigene, gesonderte elektrische Versorgung, seine Speisung erfolgt über den Sensor). Der Passivtrenner liefert ein zum Eingangssignal analoges aktives Stromausgangssignal an einen passiven Eingang der Auswerteeinheit. Sensor / Field PLC / DCS OUT IN UV=2,5 V OUT I US 4-wire + 1 PWR max.18 VDC GND IN I OUT I 5 + active – 2 3 4 GND 1 passive GND 2 6 – 7 8 Zone 2 Bild 3-18 Durchflussmessung unter Verwendung eines Passivtrenners, z. B. mit einem Trennverstärker der MINI-Serie Bei Verwendung eines Passivtrenners muss die vom Messumformer gelieferte Spannung hoch genug sein, damit sie die Gesamtbürde mit dem maximalen Strom von 20 mA treiben kann. (UB ≥ UE = 2,5 V + 20 mA x RB) 40 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Anwendungen Verwendung eines ausgangsschleifengespeisten Passivtrenners – – Der (aktive 4-Leiter-) Sensor liefert ein analoges Spannungssignal an den passiven Eingang des ausgangsschleifengespeisten Passivtrenners (siehe auch „Elektrische Speisung und Trennung der Signalwege“ auf Seite 30). Der Passivtrenner liefert ein zum Eingangssignal analoges passives Stromausgangssignal an einen aktiven Eingang der Auswerteeinheit. Sensor / Field + 1 PLC / DCS OUT IN IN I PWR IN 5 + passive – 2 OUT U US + 3 GND IN U OUT I PWR active 6 – 7 4-wire GND – 4 GND 8 Zone 2 Bild 3-19 105238_de_00 Verwendung eines ausgangsschleifengespeisten Passivtrenners z. B. mit einem Trennverstärker der MINI ... -LP-Serie PHOENIX CONTACT 41 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 3.2.2 Analog In, Digital OUT Potenziometer-Stellungsmessung mit digitalen Meldeausgängen – – – – Der passive Stellungsmesssensor (Potenziometer) liefert ein analoges Signal an den aktiven Eingang des Trennverstärkers. Der Trennverstärker liefert jeweils ein vom Eingangssignal abhängiges digitales Ausgangssignal an drei digitale Eingänge der Auswerteeinheit(en). Die drei Ausgangssignale können unabhängig voneinander auf bestimmte Eingangssignalgrößen (gemessene Stellungen) konfiguriert werden. Zusätzlich zu den drei digitalen Ausgängen besitzt der Trennverstärker einen aktiven analogen Stromausgang oder einen aktiven analogen Spannungsausgang. Sensor / Field OUT IN PLC / DCS 3.1 4.1 Uout Iout 4.2 GND 3.3 3.2 3.4 4.3 3.5 24 V DC DI 3.6 5.1 2.4 5.2 2.5 5.3 2.6 24 V DC DI 1.4 1.5 1.6 Power 24V ...230V AC/DC Zone 0,1,2 Zone 20,21,22 Bild 3-20 42 PHOENIX CONTACT 24 V DC DI 1.1 1.2 1.3 Potenziometer-Stellungsmessung mit digitalen Meldeausgängen z. B. mit einem Trennverstärker MACX ... T-UIREL-Serie 105238_de_00 Anwendungen Temperaturmessung mit digitalen Meldeausgängen – – – – – Der passive Temperaturmesssensor (RTD mit 4-Leiter-Anschluss) liefert ein widerstandsabhängiges Spannungssignal an den aktiven Eingang des Trennverstärkers. Der Trennverstärker liefert jeweils ein vom Eingangssignal abhängiges digitales Ausgangssignal an zwei digitale Eingänge der Auswerteeinheit(en). Die beiden Ausgangssignale können unabhängig voneinander auf bestimmte Eingangssignalgrößen (gemessene Temperaturen) konfiguriert werden. Die beiden digitalen Ausgänge (Relaisausgänge als Öffner) 2 und 3 können wie gezeigt in Reihe geschaltet und als redundate Signale zur Auswertung durch die Steuereinheit verwendet werden, z. B. zum Abschalten einer Anlage bei erhöhten Sicherheitsanforderungen. Zusätzlich zu den beiden digitalen Ausgängen besitzt der Trennverstärker einen aktiven analogen Stromausgang oder einen aktiven analogen Spannungsausgang. Sensor / Field Sensor / Field ϑ IN OUT PLC / DCS 4.1 Uout Iout 3.1 4.2 GND 3.3 3.2 3.4 4.3 3.5 24 V DC 3.6 5.1 2.4 5.2 2.5 5.3 DI 2.6 1.4 1.5 24 V DC DI 1.6 Power 24V ...230V AC/DC Zone 0,1,2 Zone 20,21,22 Bild 3-21 105238_de_00 1.1 1.2 1.3 Temperaturmessung mit digitalen Meldeausgängen PHOENIX CONTACT 43 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 3.2.3 Digital IN, Digital OUT Digitale Trennverstärkung eines Schaltersignals – – – – – Der passive Sensor (Schalter, Näherungssensor) liefert ein digitales Impuls-/Frequenzsignal an den aktiven Eingang des Trennverstärkers. Der Trennverstärker liefert ein vom Eingangssignal abhängiges digitales Ausgangssignal an einen digitalen Eingang der Auswerteeinheit. Die Charakteristik der Umsetzung des Eingangssignals in das Ausgangssignal kann konfiguriert werden. Die Beschaltung des Sensors/Schalters mit Widerständen dient zur Erkennung von Messleitungsbruch und Ausfall des Sensors/Schalters (siehe auch „Ereigniserfassung, Impuls- und Frequenzmessung“ auf Seite 11). In NAMUR-Näherungssensoren sind diese Widerstände bereits im Sensorgehäuse integriert. Der zweite digitale Ausgang des Trennverstärkers kann wie der erste zur Ansteuerung eines anderen digitalen Eingangs (Signalverdopplung) oder als Fehlermeldeausgang verwendet werden. Die unterschiedliche Verwendung ist einstellbar. Sensor / Field OUT IN + 1 IN PLC / DCS OUT 1 5 13 DI 1 – 2 3 4 IN OUT 1 +24V OUT 2 OUT 2 GND 6 14 7 + 8 – 13 GND +24V DI 2 14 Zone 2 Bild 3-22 44 PHOENIX CONTACT Digitale Trennverstärkung eines Schaltersignals 105238_de_00 Anwendungen Zweikanalige digitale Trennverstärkung von Näherungsschaltersignalen – – – Die beiden passiven NAMUR-Sensoren (Näherungssensoren) liefern jeweils ein digitales Impuls-/Frequenzsignal an einen aktiven Eingang des Trennverstärkers. Der Trennverstärker liefert jeweils ein vom Eingangssignal abhängiges digitales Ausgangssignal an einen digitalen Eingang der Auswerteeinheit. Die Charakteristik der Umsetzung des Eingangssignals in das Ausgangssignal kann konfiguriert werden. OUT IN Sensor / Field CH1 + + 3.2 13 3.1 14 2.2 13 2.1 14 CH1 4.1 5.2 CH2 5.1 Faultsignal CH2 4.2 PLC / DCS DI GND +24V 1.2 1.1 Power Zone 0,1,2 Zone 20,21,22 Div. 1,2 Bild 3-23 LFD +24V GND Zone 2 Div. 2 Zweikanalige digitale Trennverstärkung von Näherungsschaltersignalen Da in den NAMUR-Näherungssensoren Widerstände zur Erkennung von Messleitungsbruch und Sensorausfall bereits integriert sind, stehen diese Fehlerinformationen als Signale an den beiden LFD-Anschlüssen des Trennverstärkers (Line Fault Detection) bereit. Die LFD-Signale werden auf die hierfür vorgesehenen Leitungen in der Versorgungsschiene für den Trennverstärker geführt und können von der Steuereinheit ausgewertet werden. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 45 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Digitale Ventilansteuerung in einem explosionsgeschützten Bereich – – Der Ausgang der Steuereinheit liefert ein digitales Signal an den Eingang des Trennverstärkers (Ausgangstrenner). Der Trennverstärker liefert ein vom Eingangssignal abhängiges digitales Signal an das Regelventil, das durch dieses Signal betrieben (geöffnet oder geschlossen) wird. Sensor / Field OUT - 4.2 + PHOENIX CONTACT PLC / DCS D0 3.2 - 3.1 + Zone 0,1,2 Zone 20,21,22 Zone 2 Div. 1,2 Div. 2 Bild 3-24 46 4.1 IN Digitale Ventilansteuerung in einem explosionsgeschützten Bereich (nur mit Trennverstärkern der MACX ... EX-Serie) 105238_de_00 Anwendungen 3.2.4 Digital IN, Analog OUT Umsetzung von Frequenzen in analoge Werte – – – Der passive NAMUR-Sensor liefert ein Frequenzsignal an den aktiven Eingang des Trennverstärkers. Der Trennverstärker liefert ein zur Frequenz abhängiges aktives Ausgangssignal an einen passiven Eingang der Auswerteeinheit. Die Charakteristik der Umsetzung des Eingangssignals in das Ausgangssignal kann konfiguriert werden. Sensor / Field OUT IN PLC / DCS Teach In 1 NAMUR OUT U,I 5 + active 2 3 4 passive GND 2 NPN 6 +24V PNP GND 1 GND 3 – 7 + 8 – FM GND 2 +24V Zone 2 Bild 3-25 105238_de_00 Umsetzung von Frequenzen in analoge Werte PHOENIX CONTACT 47 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 48 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Grundlagen der funktionalen Sicherheit 4 Grundlagen der funktionalen Sicherheit 4.1 Funktionale Sicherheit gemäß Sicherheits-Integritätslevel (SIL) Der Sicherheits-Integritätslevel (Safety Integrity Level, SIL) wird im Deutschen alternativ als „Sicherheitsanforderungsstufe“ bezeichnet. SIL gründet sich auf folgende Normen für die Prozessindustrie: Tabelle 4-1 SIL-Normen für die Prozessindustrie Name Zielgruppe IEC/EN 61508 Funktionale Sicherheit für sicherheitsbezogene elektrische, elektronische oder programmierbare elektronische Systeme Hersteller von Geräten und Systemen IEC/EN 61511 Funktionale Sicherheit - Sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie Planer, Errichter und Betreiber von Anlagen Für die funktionale Sicherheit von Maschinen existieren gesonderte Normen. Bei der SIL-Beurteilung und Auslegung von Geräten und Systemen werden folgende Ziele verfolgt: – Beurteilung hinsichtlich der Versagenswahrscheinlichkeit bzw. Zuverlässigkeit der Sicherheitsfunktionen – Nachvollziehbare Messbarmachung und Quantifizierung von Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. Risikoreduzierung – Anwendung sicherheitsgerichteter Konstruktionsprinzipien, um das angestrebte niedrige Level für Fehlfunktionen auf ein tolerierbares Restrisiko zu begrenzen – Letztlich der Schutz von Leben, Gesundheit, Umwelt und Gütern In der sogenannten Gefährdungsbeurteilung von Systemen zur Ermittlung ihrer SIL-Levels werden zwei Faktoren berücksichtigt: – Zuverlässigkeit bzw. Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems – Gefahrenpotenzial des Systems Nach der genannten Norm wird in vier SIL-Level von Stufe 1 (gering) bis Stufe 4 (hoch) unterteilt. Systeme mit geringem Gefahrenpotenzial können mit einem kleinen SIL-Level betrieben werden. Systeme mit SIL-Level 1 und 2 können die Hersteller in Eigenverantwortung beurteilen. Systeme mit hohem Gefahrenpotenzial benötigen einen hohen SIL-Level. Systeme mit SIL-Level 3 und 4 müssen durch unabhängige Dritte beurteilt und zertifiziert werden. Die SIL-Beurteilung darf sich jedoch nicht auf die einzelnen Baugruppen und Schutzeinrichtungen beschränken, da sich die Normenforderungen auf die Sicherheitskreise beziehen, also auf die Zusammenschaltung der verschiedenen Betriebsmittel wie Sensoren, Aktoren, Steuerungselemente etc. Werden Teilsysteme verschiedenen SIL-Leveln zugeordnet, so besitzt das Gesamtsystem den niedrigsten Level der Teilsysteme. Um den SIL-Level eines Teilsystems zu erhöhen, können z. B. Komponenten redundant ausgelegt werden. In der Prozessindustrie werden Messkreise meist in SIL-Level 2 eingruppiert, gelegentlich auch in Level 3 und dann gewöhnlich durch redundante Auslegung von Teilsystemen. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 49 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 4.1.1 SIL-Betrachtung Aus den SIL-Normen ergibt sich die folgende Vorgehensreihenfolge, wobei im Einzelnen das 4-Augen-Prinzip bei allen Beurteilungs-, Planungs- und Verifikationsschritten gefordert ist. 1. Risikoanalyse: Ermittlung der erforderlichen Risikoreduzierung (Spezifikation der SIL-Anforderung) 2. Realisierung der Risikoreduzierung (Implementierung und SIL-Bewertung einer Schutzeinrichtung) 1. Risikoanalyse a. b. c. Identifizierung aller Risiken (Einsatz eines Risikoidentifizierungsverfahrens) Reduzierungsbedarf für jedes Risiko ermitteln Erforderliche Risikoreduzierung für jedes Risiko quantifizieren (Einsatz einer Risikobewertungsverfahren, aus dem eine SIL-Anforderung als Ergebnis abgeleitet werden kann) Risikoidentifizierung und Risikobewertung werden häufig mit Software-Unterstützung vorgenommen. Verbreitet eingesetzte Verfahren: Verfahren zur Risikoidentifizierung – HAZOP („Hazard and Operability Study“) – Ergebnisbaumanalyse (ETA, „Event Tree Analysis“) – Fehlerbaumanalyse (FTA, „Fault Tree Analysis“) Verfahren zur Risikobewertung und -quantifizierung – Risikograph (siehe Bild 4-1) – LOPA („Layer of Protection Analysis“) – Risikomatrix (siehe Bild 4-2) Eintrittswahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses W S1 G1 S2 S3 S4 A1 A2 G2 A1 A2 G2 A1 A2 G2 G1 G1 G1 G2 PHOENIX CONTACT W2 W1 a - - 1 a - 2 1 a 3 2 1 4 3 2 b 4 3 1, 2, 3, 4 Sicherheits-Integritätslevel, SIL – tolerierbares Risiko, keine Sicherheitsanforderungen a keine besonderen Sicherheitsanforderungen b ein einzelnes E/E/PE-System reicht nicht aus Bild 4-1 50 W3 Beispiel für einen Risikographen 105238_de_00 Grundlagen der funktionalen Sicherheit Risikoparameter Schadensausmaß S1 leichte Verletzung oder leichter Schaden S2 schwere, irreversible Verletzung oder Tod einer Person, temporärer schwerer Schaden S3 Tod mehrerer Personen, langfristiger Schaden S4 viele Tote, katastrophale Auswirkungen Häufigkeit/Aufenthaltsdauer A1 seltener bis häufiger Aufenthalt im Gefahrenbereich A2 häufiger bis dauernder Aufenthalt im Gefahrenbereich Gefahrenabwendung G1 möglich G2 nicht abwendbar, kaum möglich Eintrittswahrscheinlichkeit des unerwünschten Ereignisses W1 sehr gering, kaum W2 gering W3 hoch, häufig Risiko existenzbedrohend 3 Risiko schwerwiegend 1 Risiko mittel 2 gering Bild 4-2 105238_de_00 sehr wahrscheinlich wahrscheinlich möglich unwahrscheinlich sehr unwahrscheinlich unbedeutend Wahrscheinlichkeit des Auftretens Beispiel für eine Risikomatrix PHOENIX CONTACT 51 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 2. Risikoreduzierung Die Betriebsleittechnik (BLT) einer Anlage ermöglicht den Normalbetrieb und beinhaltet in der Regel bereits sicherheitstechnische Funktionen. Diese können jedoch selten alle vermeidbaren Risiken bis zum vertretbaren Restrisiko abdecken. Deshalb werden zusätzliche BLT-Schutzeinrichtungen eingesetzt, die nur bei Fehlfunktionen in Aktion treten. Die Auslegung der BLT-Schutzeinrichtungen kann ereignisverhindernd oder auswirkungs/schadensbegrenzend sein und muss auf das Risiko abgestimmt werden: – Das tolerierbare Restrisiko muss hinreichend klein sein. – Der Aufwand für Planung, Einbau und Betrieb muss angemessen sein. Ziel ist deshalb, dass die BLT-Schutzeinrichtung möglichst genau die geforderte Risikoreduzierung (SIL-Level-Anforderung) trifft: – Hinweise zur Ausgestaltung der Schutzeinrichtung geben die Normen IEC/EN 61508 und IEC/EN 61511 (siehe oben) sowie die Richtlinie VDI/VDE 2180 „Sicherung von Anlagen der Verfahrenstechnik mit Mitteln der Prozessleittechnik“. – Untersucht werden muss dabei, ob ein Ausfall der Schutzeinrichtung zufälligen oder systematischen Ursachen unterliegt, wie wahrscheinlich er ist und ob er vermeidbar oder nicht vermeidbar ist. – Die praktische Umsetzung der Schutzeinrichtung sollte die drei folgenden Aspekte abdecken: a) Fehlervermeidung durch Anwendung eines FSM-Systems („Functional Safety Management) b) Fehlerbeherrschung durch Redundanz, Diagnosedeckungsgrad, sichere Zustände im Fehlerfall c) Quantifizierung der Versagenswahrscheinlichkeit aufgrund zufälliger Fehler (PFD-/PFH-Berechnung, siehe unten) 52 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Grundlagen der funktionalen Sicherheit 4.1.2 SIL-relevante Kennwerte Die SIL-relevanten Sicherheitskennwerte liefern Gerätehersteller in der Gerätedokumentation, um Planern und Anwendern die SIL-Klassifikation von Messketten zu ermöglichen, in denen die Geräte eingesetzt werden. Die in den folgenden beiden Beispielen benutzten Abkürzungen werden im Anschluss ab Seite Seite 54 erläutert. Beispiel aus einem Datenblatt Sicherheits-Integritätsanforderungen Fehlerraten – Typ B-Gerät (nach EN 61508-2) – Safety Integrity Level (SIL) 2 – HFT = 0 – Architektur 1oo1 sd 4,61 *10-7 su 1,50 *10-7 dd 3,18 *10-8 du 3,23 *10-7 SFF DCD HFT 91,3 % 90,2 % 0 Die gesamte Ausfallrate beträgt: 9,62 * 10-7 Die MTTF (Mean Time To Failure) beträgt damit: 119 Jahre. Aus den Fehlerraten wird die Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden Ausfalls pro Stunde für die Betriebsart „kontinuierliche Anforderung“ und die mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der entworfenen Funktion bei Anforderung für die Betriebsart „niedrige Anforderung“ ermittelt: PFDavg-Werte T[PROOF] = 1 Jahr PFDavg = 1,3 * 10-4 2 Jahre 2,6 * 10-4 3 Jahre 3,91 * 10-4 5 Jahre 6,51 * 10-4 7 Jahre 9,11 * 10-4 8 Jahre 1,04 * 10-3 PFH* = 3,23 * 10-8/h Die Berechnung erfolgte unter der Annahme eines Überprüfungsintervalls von 1 Jahr und einer Reparaturzeit von 8 h. Ausgehend von dem ermittelten Wert für die mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit PFDavg kann das Überprüfungsintervall auf bis zu 7 Jahre erhöht werden. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 53 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Beispiel einer FMEDA-Tabelle FMEDA1-Tabelle aus einer TÜV-Zulassung für ein Gerät Tabelle 4-2 SFF Anteil ungefährlicher Ausfälle Typ A Teilsysteme Typ B Teilsysteme HFT-Fehlertoleranz der Hardware HFT-Fehlertoleranz der Hardware 0 1 2 0 1 2 < 60 % 60 % - < 90 % 90 % - < 99 % SIL 1 SIL 2 SIL 3 nicht erlaubt SIL 1 SIL 3 ≥ 99 % SicherheitsIntegritätslevel (SIL) 4 3 2 1 1 SIL 2 SIL 3 SIL 4 SIL 1 SIL 2 SIL 4 SIL 3 SIL 4 SIL 4 SIL 2 SIL 3 SIL 4 SIL 3 SIL 4 SIL 4 SIL 3 SIL 4 SIL 4 Betriebsart mit niedriger Anforderungsstufe (mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der Sicherheitsfunktion bei Anforderung = PFD) ≥10-5 bis 10-4 ≥ 10-4 bis 10-3 ≥ 10-3 bis 10-2 ≥ 10-2 bis 10-1 FMEDA = Failure Mode Effect and Diagnostic Analysis Erläuterung der Abkürzungen in den Beispielen (Datenblatt, FMEDA-Tabelle) PFDavg Average Probability of Failure on Demand – Mittlere Wahrscheinlichkeit gefahrbringender Ausfälle einer Sicherheitsfunktion im Anforderungsfall – Wird für Betriebsarten mit „niedriger Anforderungsrate“ bestimmt. In der Regel arbeiten Schutzsysteme prozesstechnischer Anlagen der chemischen Industrie mit niedriger Anforderungsrate: a) Die Sicherheitsfunktion wird nur im Gefahrenfall herangezogen, um das zu überwachende System in den definierten sicheren Zustand zu überführen. b) Die Sicherheitsfunktion wird weniger als einmal pro Jahr angefordert. PFH Probability of Dangerous Failure per Hour – Ausfallwahrscheinlichkeit je Stunde für die Sicherheitsfunktion – Wird für Betriebsarten mit „hoher Anforderungsrate“ bestimmt, also wenn das zu überwachende System dauerhaft in seinem normalen sicheren Zustand gehalten werden muss (z. B. bei der Drehzahlüberwachung an Maschinen). SFF Safe Failure Fraction – Anteil ungefährlicher Ausfälle: Anteil von Ausfällen ohne Potenzial, das sicherheitsbezogene System in einen gefährlichen oder unzulässigen Funktionszustand zu versetzen – Ein Wert von z. B. 91,3 % bedeutet, dass durchschnittlich 91,3 von 100 Ausfällen für die Sicherheitsfunktion unkritisch sind. 54 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Grundlagen der funktionalen Sicherheit HFT Hardware Fault Tolerance – Hardware-Fehler-Toleranz: Fähigkeit einer Funktionseinheit, eine geforderte Funktion bei Bestehen von Fehlern oder Abweichungen weiter auszuführen – Ein Wert von 0 bedeutet „keine Hardware-Redundanz“, so dass ein Fehler (Ausfall der Hardware) zum Verlust der Sicherheitsfunktion führt. Ein Wert von 1 (einfache Redundanz) bedeutet, dass mindestens zwei Fehler zum Verlust der Sicherheitsfunktion erforderlich sind. Typ A/B Typ-A-Geräte – Einfache Geräte, bei denen das Ausfallverhalten der Bauteile komplett beschreibbar ist, z. B. ein 4-20 mA-Speisetrennverstärker Typ-B-Geräte – Komplexe Geräte, bei denen das Ausfallverhalten nicht vollständig bekannt ist, z. B. bei Mikroprozessor-Software und bei Geräte-Firmware d, dd, du, s d Rate of Dangerous Failures dd Rate of Dangerous Detected Failures du Rate of Dangerous Undetected Failures s Rate of Safe Failures 4.2 Anteil Gefahr bringender Ausfälle je Stunde Anteil erkannter Gefahr bringender Ausfälle je Stunde Anteil unerkannter Gefahr bringender Ausfälle je Stunde Anteil ungefährlicher Ausfälle je Stunde Sicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen Explosionsschutz ist ein Bereich der Sicherheitstechnik und spielt insbesondere für die Auslegung und den Betrieb von technischen Anlagen in folgenden Bereichen eine wichtige Rolle: – Chemische Industrie – Bergbau, Erdöl- und Erdgasförderung – Holzverarbeitende- und Textilindustrie – Lebensmittelindustrie – Lackierungstechnik Explosionsschutz muss in Bereichen berücksichtigt werden, die bei einem flüchtigen Blick nicht betroffen scheinen, wie z. B. bei der Schokoladeherstellung: – Kakaopulver kann zusammen mit Luftsauerstoff die Gefahr einer Staubexplosion darstellen. – Zur Reinigung von Mischkesseln und Leitungen werden hochprozentige Alkohollösungen eingesetzt, die explosionsfähige Gasgemische bilden können. Explosionsschutz muss überall technisch umgesetzt werden, wo brennbare Stoffe in Form von Gas, Dampf, Nebel oder Staub mit Sauerstoff reagieren können, wenn eine Zündquelle vorhanden ist. Je nach Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Reaktion bildet man - über das Verbrennen hinaus - die folgende grobe Klassifikation: – Verpuffung [cm/s] – Explosion [m/s] – Detonation [km/s] 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 55 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Zündquellen Einen Überblick über Zündquellen gibt die folgende Tabelle. Tabelle 4-3 Zündquellen Zündquelle Beispiel für die Ursache Funken Mechanisch erzeugte Funken (z. B. durch Reib-, Schlag- oder Abtragvorgänge), elektrische Funken Lichtbögen Kurzschluss, Schaltvorgänge Heiße Oberflächen Heizkörper, spanabhebende Bearbeitung, Erwärmung im Betrieb Flammen und heiße Gase Verbrennungsreaktionen, Funkenflug bei Schweißarbeiten Elektrische Anlagen Öffnen/Schließen von Kontakten, Wackelkontakt Schutzkleinspannungen (U < 50 V) sind keine Maßnahme des Explosionsschutzes. Es kann auch bei kleinen Spannungen noch genügend Energie erzeugt werden, um eine explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden. Statische Elektrizität Entladung aufgeladener, isoliert angeordnete leitende Teile, bei z.B. vielen Kunststoffen Elektrische Ausgleichsströme, kathodischer Korrosionsschutz Rückströme von Generatoren, Körper-/Erdschluss bei Fehlern, Induktion Elektromagnetische Wellen im Laserstrahl zur Entfernungsmessung, insbesondere bei Bereich 3 x 1011 …3 x 1015 Hz Fokussierung 56 PHOENIX CONTACT Hochfrequenz 104 …3 x 1012 Hz Funksignale, industrielle Hochfrequenzgeneratoren für Erwärmung, Trocknung, Schnitt oder Erwärmen, Trocknen, Schneiden... Blitzschlag Atmosphärische Wetterstörungen Ionisierende Strahlung Röntgengerät, radioaktiver Stoff, Absorption von Energie führt zur Erwärmung Ultraschall Absorption von Energie in festen/flüssigen Stoffen führt zur Erwärmung Adiabatische Kompression und Stoßwellen Schlagartiges Öffnen von Ventilen Exotherme Reaktionen Chemische Reaktion führt zur Erwärmung 105238_de_00 Grundlagen der funktionalen Sicherheit Gaskonzentration Bei Gasen entscheidet ihre Konzentration im Gas-Luftgemisch, ob eine Explosion möglich ist. Nur wenn die Konzentration des Stoffs zwischen der unteren Explosionsgrenze (UEG) und oberen Explosionsgrenze (OEG) liegt, kann das Gemisch gezündet werden. 1 Gaskonzentration Aceton Acetylen 2,5 13 2,3 78 Ammoniak Butan Dieselkraftstoff 15,5 1,4 0,6 Ottokraftstoff Schwefelkohlenstoff 33,6 9,3 6,5 Kohlenmonoxid 10,9 Methan 4,4 0,6 76 16,5 8 0,6 Wasserstoff 60 77 4 0% 50 % Zu mager Explosive Atmosphäre Untere Explosionsgrenze Bild 4-3 100 100 % Volumenprozent brennbarer Stoffe Zu fett Obere Explosionsgrenze Beispiele für zündfähige Gaskonzentrationen in Luft bei Normaldruck Die Tabelle gilt für Normaldruck und Raumtemperatur. Der Explosionsbereich eines Stoffes erweitert sich mit steigendem Druck und steigender Temperatur. Staubkonzentration Für Stäube lassen sich ähnliche Angaben machen wie für Gase, auch wenn die Explosionsgrenzen hier nicht die gleiche Bedeutung haben. Staubwolken sind in der Regel inhomogen und die Konzentration innerhalb einer Stauwolke schwankt sehr stark. Es lassen sich für Stäube eine untere Zündgrenze (bei ca. 20 ... 60 g/m3) und eine obere Zündgrenze (bei ca. 2 ... 6 kg/m3) ermitteln. 1Einige chemisch unbeständige Stoffe (z. B. Acetylen, Ethylenoxid) können auch ohne Sauerstoff durch Selbstzersetzung exotherme Reaktionen eingehen. Die obere Explosionsgrenze (OEG) verschiebt sich dann auf 100 Volumen-Prozent. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 57 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Maßnahmen Explosionsschutzmaßnahmen werden wie folgt klassifiziert: 1. Primärer Explosionsschutz: Vermeiden explosionsfähiger Atmosphäre Ersatz, Verdünnung, Passivierung von explosionsfähigen Stoffen z. B. durch Zusatz von Stickstoff oder Kohlendioxyd 2. Sekundärer Explosionsschutz: Vermeiden wirksamer Zündquellen Vermeidung aller Zündquellen, Verringerung der Ausdehnung der explosionsgefährdeten Zone 3. Tertiärer Explosionsschutz: Konstruktiver Explosionsschutz Explosionsunterdrückung durch Löscheinrichtungen, druckfester und druckstoßfester Aufbau von Geräten und Bauwerken, automatisierte Verschluss- und Druckableitungssysteme Ein integrierter Explosionsschutz berücksichtigt alle drei Maßnahmenklassen, in der angegebenen Reihenfolge sowohl nach Priorität als auch nach Abfolge. 4.2.1 Richtlinien, Normen, Bestimmungen ATEX-Richtlinien In Europa ist der Explosionsschutz in den ATEX-Richtlinien geregelt: – ATEX-Produktrichtlinie 94/9/EG (auch als ATEX 100a oder ATEX 95 bezeichnet) gilt für den Hersteller von Einrichtungen und Betriebsmittel, von denen eine Zündgefahr ausgehen kann. – ATEX-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG (auch als ATEX 118a oder ATEX 137) gilt für den Anlagenbetreiber. Gerätegruppe, Gerätekategorie Die ATEX-Richtlinien unterteilen die Geräte nach Gruppe und Kategorie wie folgt, Einzelheiten zeigt die folgende Tabelle: – Gerätegruppe I (Bergwerke) mit den Kategorien M1 und M2 – Gerätegruppe II (andere Geräte) mit den Kategorien 1, 2, 3 Tabelle 4-4 Gerätegruppen und -kategorien nach ATEX-Richtlinien Gerätegruppe Kategorie Schutzgrad Gewährleistung des Schutzes I M1 sehr hoher Grad an Sicherheit Zwei unabhängige Schutzmaßnahmen. Produkte müssen aus Sicherheitsgründen bei vorhandener explosionsfähiger Sicher, wenn zwei Fehler unabhängig Atmosphäre weiter betrieben werden voneinander auftreten. können. I M2 hoher Grad an Sicherheit Schutzmaßnahmen bei normalem Betrieb auch unter erschwerten Bedingungen wirksam. II 1 sehr hoch Zwei unabhängige Schutzmaßnahmen. Geräte bleiben in den Zonen 0, 1, 2 (G) und 20, 21, 22 (D) weiter einsatzbereit Sicher, wenn zwei Fehler unabhängig und werden weiter betrieben. voneinander auftreten. II 2 hoch Im normalen Betrieb und bei üblicher- Geräte bleiben in den Zonen 1, 2 (G) und weise auftretenden Fehlern sicher. 21, 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben. II 3 normal Im normalen Betrieb sicher. 58 PHOENIX CONTACT Betriebsbedingungen Diese Produkte müssen beim Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre abgeschaltet werden können. Geräte bleiben in den Zonen 2 (G) und 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben. 105238_de_00 Grundlagen der funktionalen Sicherheit Konformitätsbewertung Abhängig von der Zuordnung eines Geräts bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zu Gerätegruppe und -kategorie wird das Verfahren zur Konformitätsbewertung nach Bild 5-4 festgelegt: Gruppe II Gruppe I Kategorie 1 M1 M2 Kategorie 2 Kategorie 3 * EG-Baumusterprüfung * QS Produktion QS Produkt oder Prüfung Produkt oder Konformität mit Bauart c 0344 c 0344 Interne Fertigungskontrolle Einzelprüfung c c 0344 * Optional möglich, ähnliches Verfahren Bild 4-4 Ermittlung des Verfahrens zur Konformitätsbewertung Die ATEX-Richtlinien legen die grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen fest, die von den sogenannten harmonisierten Normen oder von eigenen Normen und Richtlinien der Hersteller und Betreiber umgesetzt werden. – Entweder muss die Konformität der Geräte mit den Normen und Richtlinien durch eine „benannte Stelle“ geprüft und bescheinigt werden (in Bild 5-4 „CE 0344“; die in der Abbildung als Beispiel angegebene benannte Stelle „0344“ bezeichnet die Prüfstelle DNV KEMA in den Niederlanden mit Niederlassungen in über 30 Ländern). – Oder der Hersteller bescheinigt selbst, weil das Gerät nicht der Fertigungsüberwachung unterliegt (in Bild 5-4 „CE“ ohne 4-stellige Prüfstellenangabe). Bei den verschiedenen Normen und Standards für die unterschiedlichen Anwendungsfälle lassen sich die folgenden Geltungsbereiche unterscheiden. In der Regel gibt es dabei Entsprechungen zwischen den europäischen (EN), internationalen (IEC), USA- (NEC, FM, UL) und Kanada-(CSA)Regelwerken: – Elektrische Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdeten Bereichen – Elektrische Betriebsmittel in staubexplosionsgefährdeten Bereichen – Nichtelektrische Betriebsmittel in explosionsgefährdeten Bereichen – Betrieb von prozesstechnischen Anlagen 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 59 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 4.2.2 Zoneneinteilung Die Räume, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann, werden in Zonen eingeteilt. Die Wahrscheinlichkeit einer Gefahr steht dabei im Vordergrund. Bestehen bei der Einteilung in Zonen Zweifel, so müssen sich die Schutzmaßnahmen im gesamten explosionsgefährdeten Bereich nach der jeweils höchstmöglichen Wahrscheinlichkeit des Auftretens gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre richten. Tabelle 4-5 Zone Anforderung an elektrische Betriebsmittel in Ex-Zonen Zulassung elektrischer Betriebsmittel 0 ausdrückliche Zulassung für Zone 0 und Baumusterprüfbescheinigung einer anerkannten Prüfstelle 1 Baumusterprüfbescheinigung einer anerkannten Prüfstelle 2 Anforderungen in VDE 0165/9.83, Abschn. 6.3 Die in Europa geltenden Normen unterscheiden bei der Zoneneinteilung folgende Abhängigkeiten: – getrennt für gasexplosionsgefährdete Bereiche und für staubexplosionsgefährdete Bereiche – nach Art der Gefahr – nach Gerätekategorie (siehe Tabelle 4-4) Tabelle 4-6 Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche nach EN 60079-10-1 Zonen Art der Gefahr Zone 0 ständig, lange Zeiträume, häufig Zone 1 gelegentlich Zone 2 normalerweise nicht, nur kurzzeitig Tabelle 4-7 Zonen für staubexplosionsgefährdete Bereiche nach EN 60079-10-2 Einteilung in Deutschland vor ATEX Einteilung nach ATEX Art der Gefahr Zone 20 ständig, lange Zeiträume, häufig Zone 10 Zone 11 Tabelle 4-8 60 PHOENIX CONTACT Zone 21 gelegentlich Zone 22 normalerweise nicht, nur kurzzeitig Zuordnung von Zonen und Gerätekategorien nach Betreiberrichtlinie 1999/92/EG Zone Gerätekategorie 0, 20 1 1, 21 1, 2 2, 22 1, 2, 3 105238_de_00 Grundlagen der funktionalen Sicherheit 4.2.3 Zündschutzarten Zündschutzarten definieren Konstruktionsprinzipien, die in den verschiedenen Bereichen angewendet werden müssen, um Schutz vor Explosionen zu bewirken. Die Einzelheiten sind in EN/IEC-Normen beschrieben. Die vier folgenden Tabellen geben Informationen zu den Zündschutzart-Normungen für elektrische Betriebsmittel. Daneben existieren weitere Normen für Zündschutzarten für nichtelektrische Geräte (z. B. Getriebe, pneumatische Pumpen, Förderbänder). Tabelle 4-9 Gas-Zünschutzarten für elektrische Betriebsmittel Zündschutzart Schutzprinzip EN/IEC Zone Ex ia, ib, ic Eigensicherheit Eigensicherheit, eigensichere Systeme, eigensichere (FISCO) und nicht funkende (FNICO) Feldbussysteme 60079-11, 60079-25, 60079-27 0, 1, 2 Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik, Sensoren, Aktoren, Instrumentierung Ex d Druckfeste Kapselung Druckfeste Kapselung 60079-1 1, 2 Schalt- Befehls- und Meldegeräte, Steuerungen, Motoren, Leistungselektronik Ex e Erhöhte Sicherheit Erhöhte Sicherheit 60079-7 1, 2 Abzweig- und Verbindungskästen, Gehäuse, Motoren, Klemmen Ex px, py, pz Überdruckkapselung Überdruckkapselung 60079-2 1, 2 Schalt- und Steuerschränke, Motoren, Mess- und Analysegeräte, Rechner Ex o Ölkapselung Ölkapselung 60079-6 1, 2 Transformatoren, Relais, Anlaufsteuerungen, Schaltgeräte Ex ma, mb, mc Vergusskapselung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre 60079-18 1, 2 Spulen von Relais und Motoren, Elektronik, Magnetventile, Anschlusssysteme Ex q Sandkapselung Sandkapselung 60079-5 1, 2 Transformatoren, Relais, Kondensatoren Ex nA, nC, nL, nR, nP Zündschutzart für Zone 2 60079-15 2 nur Zone 2 Ex op is, op pr, op sh Optische Strah- Energieübertragung von optilung scher Strahlung begrenzen oder vermeiden 60079-28 1, 2 Optoelektronische Geräte Eigensicherheit Ex i 105238_de_00 verschiedene Anwendung Hauptmerkmale der Zündschutzart Eigensicherheit: – Geltung für den gesamten Stromkreis, in dem ein elektrisches Betriebsmittel betrieben wird – Spannungsbegrenzung vermindert die Zündfunkenenergie – Strombegrenzung vermindert Oberflächentemperaturen – Begrenzung der im Stromkreis gespeicherten Energie (in Kapazitäten und Induktivitäten) – Trennung der eigensicheren von den nicht eigensicheren Stromkreisen durch Beschaltung mit Widerständen und Zenerdioden oder durch galvanische Trennung PHOENIX CONTACT 61 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Für die Eigensicherheit werden in EN/IEC 60079-11 drei Schutzniveau-Stufen unterschieden: Tabelle 4-10 Schutzniveaus bei Zündschutzart Eigensicherheit Schutz- Zugelassen niveau in Ex-Zone Zündschutzart Ex n ia 01, 1, 2 Zweifehlersicherheit Das Auftreten eines Fehlers oder irgendeiner Kombination von zwei Fehlern kann im Normalbetrieb keine Zündung verursachen (z. B. durch Beschaltung mit 3 redundanten Zenerdioden**). ib 1, 2 Einfehlersicherheit Das Auftreten eines Fehlers kann im Normalbetrieb keine Zündung verursachen (z. B. durch Beschaltung mit 2 redundanten Zenerdioden2**). ic 2 keine Das Gerät kann im Normalbetrieb keine Zündung verursachen. 1 In Ex-Zone 0 empfiehlt IEC/EN 60079-14 neben Ex ia galvanische Trennung 2 Zenerdioden zur Spannungsbegrenzung sind Halbleiterbauelemente, werden als störanfällig eingestuft und müssen durch redundante Bauteile abgesichert werden. Schicht- oder Drahtwiderstände zur Strombegrenzung gelten als nicht störanfällige Bauteile. Im Fehlerfall werden sie hochohmig und können ohne Redundanz ausgeführt werden. Hauptmerkmale der Zündschutzart Ex n: – verbesserte Industriequalität für den Normalbetrieb – ohne Fehlerbetrachtung (wie z. B. bei Ex i) – nur für Gerätegruppe II in Zone 2 anwendbar – Anlehnung an US-Norm NI mit Abweichungen bei Ex nC Tabelle 4-11 62 PHOENIX CONTACT Fehlertoleranz Unterteilung der Gas-Zündschutzart „n“ für elektrische Betriebsmittel Zündschutzart Vergleichbar mit ... Schutzprinzip Ex nA Nicht funkend Ex e Auftreten von Lichtbögen, Funken oder heißen Oberflächen wird minimiert Ex nC Funkende Betriebsmittel teilweise Ex d, Ex m umschlossene Schalteinrichtung, nichtzündfähige Bauteile, hermetisch dichte, abgedichtete oder gekapselte Einrichtungen Ex nR Schwadensicheres Gehäuse --- Eindringen von explosiven Gasen wird beschränkt Ex nL Energiebegrenzt Ex i (abgelöst durch Ex ic nach EN/IEC 60079-11) Energiebegrenzung, damit weder Funke noch thermische Wirkung eine Zündung hervorruft Ex nP Vereinfachte Überdruckkapselung Eindringen von explosiven Gasen wird durch Überdruck verhindert, Überwachung ohne Abschaltung Ex p 105238_de_00 Grundlagen der funktionalen Sicherheit Tabelle 4-12 Staub-Zündschutzarten für elektrische Betriebsmittel Zündschutzart Schutzprinzip EN/IEC Zone Ex pD neu: P Überdruckkapselung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre 61241-4 neu: 60079-2 21, 22 Schalt- und Steuerschränke, Motoren, Mess- und Analysegeräte Ex iD neu: ia, ib, ic Eigensicherheit Begrenzung der Zündenergie und Oberflächentemperatur 61241-11 neu: 60079-11 20, Mess-, Steuerungs- und Regelungs21, 22 technik, Sensoren, Aktoren, Instrumentierung Ex mD Vergussneu: kapselung ma, mb, mc Ausschluss explosionsfähiger Atmosphären 61241-18 neu: 60079-18 20, Spulen und Relais der Motoren, Elekt21, 22 ronik und Anschlusssysteme Ex tD neu: ta, tb, tc Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre 61241-1/ neu: 60079-31 21, 22 Schalt-, Befehls- und Meldegeräte, Leuchten, Abzweig- und Verbindungskästen, Gehäuse Schutz durch Gehäuse Anwendung 4.2.4 Kennzeichnung von Ex-Produkten 4.2.4.1 ATEX-Richtlinie und EN 60079-0 Kennzeichnung nach ATEX-Richtlinie Kennzeichnung nach EN 60079-0:2009 Aktuelles Herstellerjahr Konformitätsbewertung nach 94/9/EG (ATEX) elektrisches Betriebsmittel elektrisches Betriebsmittel Geräteschutzniveau, EPL (Ga, Gb, Gc, Da, Db, Dc) 10 X II 1 G Ex ia IIC T6 Ga 0344 Atmosphäre (G=Gas, D=Staub) Temperaturklasse (für direkt im Ex-Bereich eingesetzte Betriebsmittel) (T1 … T6) Gerätekategorie (1, 2, 3) Gasgruppe (IIA, IIB, IIC) oder Staubgruppe (IIIA, IIIB, IIIC) Bild 4-5 105238_de_00 Gerätegruppe (I, II) Zündschutzart (ia, ib, ic, e, d, …) benannte Stelle Fertigungsüberwachung (z.B. KEMA) Explosionsgeschützt Kennzeichnung von Ex-Produkten PHOENIX CONTACT 63 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik ATEX-Kategorie, EN-60079 Schutzniveau Tabelle 4-13 Gas Staub Bergbau Die Zuordnung von Gerätekategorie nach ATEX und Geräteschutzniveau nach EN 60079-0:2009 zeigt die folgende Tabelle: Zuordnung von Gerätekategorie nach ATEX und Geräteschutzniveau nach EN 60079-0:2009 Gerätekategorie nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG Geräteschutzniveau EPL Zone (Equipment Protection Level) Art der Gefahr 1G Ga Ständig, lange Zeiträume, häufig 2G Gb 1 Gelegentlich 3G Gc 2 Normalerweise nicht, nur kurzfristig 1D Da 20 Ständig, lange Zeiträume, häufig 2D Db 21 Gelegentlich 3D Dc 22 Normalerweise nicht, nur kurzfristig M1 Ma Ständig, lange Zeiträume, häufig M2 Mb Gelegentlich 4.2.4.2 EG-Baumusterprüfung Jahr der EG-Baumusterprüfbescheinigung Nummer der Bescheinigung TÜV 01 ATEX 1750 Baumustergeprüft nach 94/9/EG (ATEX) benannte Stelle (Notified Body) Bild 4-6 64 PHOENIX CONTACT Informationen in einer EG-Baumusterprüfbescheinigung 105238_de_00 A Technischer Anhang A1 Erklärung der Produktbezeichnung von Phoenix Contact-Produkten Die grundsätzliche Funktion der MSR-Produkte spiegelt sich in der Produktbezeichnung wider. Die Benennungssystematik für die einzelnen Produktfamilien finden Sie auf den folgenden Seiten ausführlich beschrieben. Bild A-1 105238_de_00 Produktbezeichnung von MSR-Produkten PHOENIX CONTACT 65 66 PHOENIX CONTACT MINI MCR MINI MCR-2 SL MINI MCR Familie Tabelle A-1 Widerstandsthermometer 0 … 20 mA Eingangssignal 4 … 20 mA Eingangssignal Potenziometer (Widerstand) RTD I0 I4 POT Repeater power supply smart Repeater power supply zweikanalig passiv Fault Monitoring Terminal block Power terminal block Universal Thermoelementsignale Typ J und K Potenziometer (Widerstand) NAMUR-Näherungsinitiator oder Schalter TC R NAM UI Spannungs- oder Stromeingang SHUNT-Messung Spannungseingang Stromeingang Pt 100 Widerstandsthermometer, Thermoelement (Thermosensor) Eingang UI SHUNT U I Pt 100 Zusatz 1 Hochkompakter Trennverstärker, Baubreite 6,2 mm Hochkompakter Trennverstärker mit steckbarer Anschlusstechnik Standardline, kompaktes und günstiges Modul RPSS RPS 2CP FM TB PTB UNI SL Funktion Aufbau Produktbezeichnung MINI MCR 0 4 200 SP Anschluss C NC SP PT 0 4 Zusatz 3 0 … 20 mA Stromsignal 4 … 20 mA Stromsignal Bestellkonfiguration, veränderbar nicht konfiguriert, Standardkonfiguration NC Konfiguration Schraubanschluss Zugfederanschluss Push-in Technology 0 … 20 mA Stromsignal 4 … 20 mA Stromsignal -50 … 200 °C Temperaturmessbereich schleifengespeist, keine zusätzliche Hilfsenergie Zusatz 2 LP Versorgung Spannungs- oder Stromausgang Stromausgang Spannungsausgang zwei Stromausgänge Frequenz, PWM-Ausgangssignal Relais-Wechsler-Ausgang Zwei Ausgänge, Relay normaly open Öffner-Relaiskontakt 0 … 20 mA Ausgangssignal 4 … 20 mA Ausgangssignal Spannungs- oder Stromausgang und Schließer-Relaiskontakt UI UI I U 2I F REL 2RNO RC I0 I4 UIRO Ausgang Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 105238_de_00 105238_de_00 MACX MCR MACX MCR Familie Tabelle A-2 Ausgangstrennverstärker, Stromeingang Widerstandsthermometer und Thermoelemente, mV Widerstandsthermometer Thermoelemente und mV-Quellen NAMUR-Näherungsinitiator oder Schalter NAMUR-Näherungsinitiator oder Schalter, zweikanalig IDSI T RTD TC NAM 2NAM Standardline, kompaktes und günstiges Modul Spannungs- oder Stromeingang Speise- und Eingangstrennverstärker, Stromeingang UI UI RPSSI Eingang Trennverstärker mit funktionaler Sicherheit SIL SL Funktion Aufbau Produktbezeichnung MACX MCR Potenziometer (Widerstand) zwei Schließer-Relaiskontakte zwei passive Transistorausgänge passiver Transistorausgang R 2RO 2T T UP Spannungs- oder Stromeingang Stromeingang zwei Stromausgänge Spannungs- und Stromausgang über Grenzwert-Relais UI UI I 2I UIREL Ausgang C NC SP Weitbereichsversorgung SP Anschluss NC Konfiguration Bestellkonfiguration, veränderbar nicht konfiguriert, Standardkonfiguration Schraubanschluss Zugfederanschluss Versorgung Erklärung der Produktbezeichnung von Phoenix Contact-Produkten PHOENIX CONTACT 67 68 PHOENIX CONTACT MCR EMG 30 MCR Familie Tabelle A-3 fest konfiguriert, nicht veränderbar konfigurierbarer Eingang, schleifengespeist einkanalig, schleifengespeist zweikanalig, schleifengespeist vierkanalig, schleifengespeist Kopfmessumformer Grenzwertschalter mit einem Spannungs- und Stromeingang SWS Standardline, kompaktes und günstiges Modul Functionline, multifunktionales Modul, universell einsetzbar C CLP 1CLP 2CLP 4CLP HT Frequenzeingang Widerstandsthermometer und Thermoelementsensoren F T UI Spannungseingang Stromeingang Spannungs- oder Stromeingang Pt 100 Widerstandsthermometer, Thermoelement (Thermosensor) Eingang U I UI Pt 100 C Zusatz 1 Trennverstärker und Digitalanzeigen Sollwertpotenziometer SL FL FL Funktion Aufbau Produktbezeichnung MCR DCI DC 4KV 4K7LIN 10K LIN ohne galvanische Trennung E DC Zusatz 3 LP NC C SP Anschluss NC Konfiguration nicht konfiguriert, Standardkonfiguration Bestellkonfiguration, veränderbar Schraubanschluss Zugfederanschluss Versorgung schleifengespeist, keine zusätzliche Hilfsenergie Galvanische Trennung zur Stromversorgung, induktiv Galvanische Trennung zur Stromversorgung Prüfspannung Eingang Ausgang, 4 kV (50 Hz,1 min) Widerstandswert 4,7 kΩ Widerstandswert 10 kΩ 0 … 20 mA Stromsignal 4 … 20 mA Stromsignal 0 … 20 mA Eingangssignal, 0 … 20 mA Ausgangssignal 0 4 00 Stromausgang I Zusatz 2 Spannungsausgang Spannungs- oder Stromausgang, Verdoppler 2UI U 2UI Ausgang Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 105238_de_00 105238_de_00 MACX MCR-EX MACX MCR-EX Familie Tabelle A-4 Ventilsteuerbaustein Widerstandsthermometer Thermoelemente und mV-Quellen NAMUR-Näherungsinitiator oder Schalter NAMUR-Näherungsinitiator oder Schalter, zweikanalig RTD TC NAM 2NAM Standardline, kompaktes und günstiges Modul SD Ausgangstrennverstärker, Stromeingang Widerstandsthermometer und Thermoelemente, mV IDSI T UI Speise- und Eingangstrennverstärker, Stromeingang Eingang RPSSI Zusatz 1 Ex i-Trennverstärker mit funktionaler Sicherheit SIL SL Funktion Aufbau Produktbezeichnung MACX MCR-EX nicht konfiguriert, Standardkonfiguration Bestellkonfiguration, veränderbar NC C NC Konfiguration Schraubanschluss Zugfederanschluss Weitbereichsversorgung schleifengespeist, keine zusätzliche Hilfsenergie UP LP SP Anschluss SP 25 mA Ausgangsstrom 48 mA Ausgangsstrom 60 mA Ausgangsstrom 21,9 V Ausgangsspannung 24 V Ausgangsspannung 25 48 60 21 24 Versorgung Potenziometer (Widerstand) Schließer-Relaiskontakt zwei Schließer-Relaiskontakte passive Transistorausgänge zwei passive Transistorausgänge 4 … 20 mA Eingangssignal, 0 … 20 mA Ausgangssignal Spannungs- oder Stromeingang Stromeingang zwei Stromeingänge Spannungs- und Stromausgang über Grenzwert-Relais UI R RO 2RO T 2T 40 UI I 2I UIREL Ausgang Erklärung der Produktbezeichnung von Phoenix Contact-Produkten PHOENIX CONTACT 69 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik A2 Signale sicher übertragen Produkte für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Die modularen Analog-Konverter für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik vermeiden die Verfälschung analoger Signale durch externe Störgrößen. Sie sichern und erhöhen durch die exakte Umsetzung, Trennung, Filterung oder Verstärkung analoger Signale die Übertragungsqualität und damit die Güte von Regelkreisen. Dazu bietet Phoenix Contact folgende Produktfamilien: MINI Analog Pro Hochkompakte Trennverstärker mit steckbarer Anschlusstechnik Einfache Handhabung auf engstem Raum. MINI Analog Pro ist die erste 6-mm-Trennverstärkerfamilie mit steckbarer Anschlusstechnik. Gut einsehbare, leicht zugängliche Anschlusspunkte und die Strommessung im laufenden Betrieb erleichtern Ihnen die Arbeit deutlich. Bild A-2 – – – – – – – 70 PHOENIX CONTACT MINI Analog Pro Einfache Installation durch leicht zugängliche Anschlusspunkte, Energiebrückung und steckbare Anschlussklemmen Einfache Inbetriebnahme und Service: Signale messen ohne Auftrennen der Stromschleife und optionale Trennfunktion Vielfältige Parametriermöglichkeiten: einfache DIP-Schalter-Konfiguration sowie erweiterte Konfiguration per Software oder Smartphone-App ohne weiteres Zubehör Servicefreundlich mit großzügigen Beschriftungsflächen, Status-LEDs in jedem Trennverstärker und Sammelfehlermeldung Verdrahtung mit Schraubanschluss oder schnell und werkzeuglos mit Push-in-Technologie Beste Signalqualität durch modernste Schaltungstechnologie und sichere galvanische Trennung zwischen Eingang, Ausgang und Versorgung Passend für jede Applikation durch multifunktionale Gerätetypen und erweiterte Versorgungsspannungs- und Betriebstemperaturbereiche 105238_de_00 Produkte für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik MINI Analog Hochkompakte Trennverstärker Einfache Handhabung auf engstem Raum. Die Trennverstärker der MINI Analog-Familie bieten Ihnen das gesamte Spektrum der analogen Signalanpassung. Dabei sind sie in Hinblick auf Kosten-, Platz- und Energieeinsparung sehr effizient. Das umfassende Zulassungspaket ermöglicht Ihnen den Einsatz in verschiedenen Bereichen. Bild A-3 – – – – – – – 105238_de_00 MINI Analog Bis zu 65 % Platzersparnis gegenüber marktüblichen Trennverstärkern durch 6,2 mmBaubreite Hohe Energieeffizienz und Lebensdauer dank geringer Leistungsaufnahme Flexible Energiebrückung und komfortable Sammelfehlermeldung mittels Tragschienen-Busverbinder und der Systemfunktion Fault Monitoring Bequem konfigurieren und beobachten per DIP-Schalter oder mit Software für erweiterte Funktion und Monitoring Einsparung von Analogeingängen an Steuerungen bei Einsatz des Multiplexers Schnelle Installation durch Systemverkabelungslösungen wie V8-Systemadapter und Termination Carrier Hohe Betriebssicherheit gegenüber Störungen durch galvanische 3-Wege-Trennung PHOENIX CONTACT 71 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik MACX Analog Trennverstärker mit funktionaler Sicherheit SIL Für jede Signalart eine Lösung. Sicher trennen, anpassen, filtern und verstärken: MACX Analog bietet Ihnen für umfangreiche Lösungen für die analoge Signalverarbeitung. Mit MACX Analog-Trennverstärkern sparen Sie Planungs- und Betriebskosten durch die Kombination von hoher Signalflexibilität mit sicherer Trennung und SIL-Bewertung. Bild A-4 – – – – – MACX Analog Funktional sicher und zuverlässig mit durchgängiger SIL-Zertifizierung Präzise, störungsfreie Signalübertragung durch patentiertes Übertragerkonzept mit sicherer galvanischer Trennung und geringer Eigenerwärmung Bequem konfigurieren und beobachten: per DIP-Schalter und Bedieneinheit oder mit Software für erweiterte Funktionalität und Monitoring Schnelle und sichere Installation durch steckbare Klemmen mit Schraubanschluss oder Push-in-Anschlusstechnik Flexible Energieversorgung: Varianten mit Weitbereichseingang oder einfache Energiebrückung mit dem Tragschienen-Busverbinder für die 24-V-Varianten Maximaler Explosionsschutz für alle Ex-Zonen und Gasgruppen mit den Ex i-Trennverstärkern MACX Analog Ex. Siehe „MACX Analog Ex“ auf Seite 75. 72 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 Produkte für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik MACX Safety Trennverstärker mit funktionaler Sicherheit PL Analoge Signale mit Performance Level. Mit MACX Safety integrieren Sie analoge Signal einfach in Ihre Sicherheitsapplikation nach Maschinenrichtlinie. Die analogen Trennverstärker MACX Safety sind durchgängig SIL-zertifiziert und mit dem Performance Level PL d nach EN ISO 13849-1 ausgestattet. Bild A-5 – – – – – – MACX Safety Einfache Einbindung analoger Signale in die Sicherheitskette durch den Performance Level PL d Kostenersparnis: Direktes, sicheres Schalten von Grenzwerten ohne zusätzliche Sicherheitssteuerung möglich Einfache Planung der Sicherheitsapplikation über SISTEMA: Die erforderlichen Daten sind dort bereits hinterlegt Einfache Kombination aktiver oder passiver analoger Signale mit anderen Sicherheitsmodulen Präzise, störungsfreie Übertragung und hohe Betriebssicherheit durch patentiertes Übertragerkonzept mit sicherer galvanischer Trennung und geringer Eigenerwärmung Schnelle und sichere Installation durch steckbare Klemmen mit Schraubanschluss oder Push-in-Schnellanschlusstechnik Sichere Verarbeitung analoger, eigensicherer Ex-Signale mit MACX Safety Ex [Ex ia]. Siehe „MACX Safety Ex“ auf Seite 76. 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 73 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik MCR Analog Trennverstärker, Sonderbauformen und Prozessanzeigen Auch für besondere Anwendungen. Mit den Trennverstärkern der MCR Analog-Familie erfassen Sie beispielsweise Temperaturen direkt im Feld oder wandeln digitale in analoge Signale. Ihre Prozesswerte beobachten Sie mit den Digitalanzeigen. Bild A-6 – – – – – 74 PHOENIX CONTACT MCR Analog Hohe Betriebssicherheit gegenüber Störungen dank galvanischer Trennung Komfortables Verdrahten durch steckbare Anschlussklemmen Einfache Konfiguration über Software, DIP-Schalter oder Display-Tastatur Programmieren der Digitalanzeigen ohne Software: über Front-Tastatur Bequemes Ablesen der Digitalanzeigen dank großem fünfstelligen Display 105238_de_00 Produkte für die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik MACX Analog Ex Ex i-Trennverstärker mit funktionaler Sicherheit SIL Maximaler Explosionsschutz. Superkompakt und technologisch top: Auf nur 12,5 mm Baubreite bietet Ihnen MACX Analog Ex ein- und zweikanalige Signaltrenner für Ex i-Stromkreise. Die Ex i-Trennverstärker MACX Analog Ex sind Atex- und IECEx-zugelassen und durchgängig SIL-zertifiziert. Die Produkte sind durch ein unabhängiges NAMUR-Prüflabor gemäß NE 95 typgeprüft und erfüllen damit die hohen Anforderungen der chemischen Industrie. Bild A-7 – – – – – – – 105238_de_00 MACX Analog Ex Universeller Einsatz für eigensichere Stromkreise bis in alle Ex-Zonen sowie für alle Gas- und Staubgruppen dank internationalem Zulassungspaket Funktional sicher und zuverlässig mit durchgängiger SIL-Zertifizierung Hohe Platzersparnis mit nur 12,5 mm Baubreite für alle ein- und zweikanaligen 24-V-Geräte Präzise, störungsfreie Signalübertragung durch patentiertes Übertragerkonzept mit sicherer galvanischer Trennung und geringer Eigenerwärmung Bequem konfigurieren und beobachten: per DIP-Schalter und Bedieneinheit oder mit Software für erweiterte Funktionalität und Monitoring Einfache Installation und Inbetriebnahme durch steckbare Anschlussklemmen, einfache Konfiguration und durchgängige Systemverkabelungslösung Termination Carrier Flexible Energieversorgung: Varianten mit Weitbereichseingang oder 24-V-Varianten mit einfacher Energiebrückung über den Tragschienen-Busverbinder PHOENIX CONTACT 75 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik MACX Safety Ex Ex i-Trennverstärker mit funktionaler Sicherheit PL Analoge Ex i-Signale mit Performance Level. Mit MACX Safety Ex integrieren Sie analoge Ex i-Signale einfach in Ihre Sicherheitsapplikation nach Maschinenrichtlinie. Die analogen Ex i-Trennverstärker MACX Safety Ex sind durchgängig SIL-zertifiziert und mit dem Performance Level PL d nach EN ISO 13849-1 ausgestattet. Außerdem sind die Produkte Atex- und IECEx-zugelassen. Bild A-8 – – – – – – – 76 PHOENIX CONTACT MACX Safety Ex Einfache Einbindung analoger Signale in die Sicherheitskette durch den Performance Level PL d Universeller Einsatz für eigensichere Stromkreise bis in alle Ex-Zonen sowie für alle Gas- und Staubgruppen dank internationalem Zulassungspaket Kostenersparnis: Direktes, sicheres Schalten von Grenzwerten ohne zusätzliche Sicherheitssteuerung möglich Einfache Planung der Sicherheitsapplikation über SISTEMA: Die erforderlichen Daten sind dort bereits hinterlegt. Einfache Kombination aktiver oder passiver analoger Signale mit anderen Sicherheitsmodulen Präzise, störungsfreie Übertragung und hohe Betriebssicherheit durch patentiertes Übertragerkonzept mit sicherer galvanischer Trennung und geringer Eigenerwärmung Schnelle und sichere Installation durch steckbare Klemmen mit Schraubanschluss oder Push-in-Schnellanschlusstechnik 105238_de_00 B Verzeichnisanhang B.1 Abbildungsverzeichnis Kapitel 2 Bild 2-1: Analoges Signal vom Sensor bis zur Steuereinheit .............................10 Bild 2-2: Schalteranschluss mit Widerstands-Zusatzbeschaltung zur Leitungsüberwachung ......................................................................................12 Bild 2-3: 2-Leiter-Anschluss bei einem Widerstandsthermometer ....................13 Bild 2-4: 3-Leiter-Anschluss bei einem Widerstandsthermometer ....................14 Bild 2-5: 4-Leiter-Anschluss bei einem Widerstandsthermometer ....................15 Bild 2-6: Thermoelement-Anschluss .................................................................16 Bild 2-7: Kennlinien von Thermoelementen ......................................................20 Bild 2-8: NAMUR-Sensor-Charakteristik (ohne optoelektrische Variante) ........21 Bild 2-9: Interface-Baustein mit Sensorspeisung und Normsignal-Ausgang .....23 Bild 3-1: Fehlanpassung wegen hoher Leitungs- und Anschlusswiderstände ...26 Bild 3-2: Signalverstärkung zur Beseitigung der Fehlanpassung ......................26 Bild 3-3: Normsignalwandler .............................................................................27 Bild 3-4: Signalfilterung .....................................................................................27 Bild 3-5: Erdstromschleife .................................................................................29 Bild 3-6: Galvanische Trennung zur Unterbrechung von Erdstromschleifen .....29 Bild 3-7: Beispiele für einen passiven Signaleingang ........................................30 Bild 3-8: Beispiel für einen aktiven Signaleingang .............................................30 Bild 3-9: Beispiel 1 für passive Isolation (eingansschleifengespeist) .................31 Bild 3-10: Beispiel 2 für passive Isolation (ausgansschleifengespeist) ................31 Bild 3-11: Leitungsüberwachung .........................................................................32 Bild 3-12: Beispiel eines 8-kanaligen Trennverstärkers mit Multiplexer ..............33 Bild 3-13: Strommessung mit Shunt ....................................................................35 Bild 3-14: Druckmessung im Ex-Bereich mit einem Speisetrenner MACX ..........36 Bild 3-15: Durchflussmessung im Ex-Bereich mit einem Speisetrenner MACX ..37 Bild 3-16: Regelventilansteuerung im Ex-Bereich mit einem Trennverstärker MACX MCR-SL-IDSI-I ........................................................................38 Bild 3-17: Hebebühnensteuerung über Potenziometer-Sensor mit einem Trennverstärker MINI MCR-SL-R-UI .................................................................39 Kapitel 3 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 77 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik Bild 3-18: Durchflussmessung unter Verwendung eines Passivtrenners, z. B. mit einem Trennverstärker der MINI-Serie ..................................40 Bild 3-19: Verwendung eines ausgangsschleifengespeisten Passivtrenners z. B. mit einem Trennverstärker der MINI ... -LP-Serie ........................41 Bild 3-20: Potenziometer-Stellungsmessung mit digitalen Meldeausgängen z. B. mit einem Trennverstärker MACX ... T-UIREL-Serie ...................42 Bild 3-21: Temperaturmessung mit digitalen Meldeausgängen ..........................43 Bild 3-22: Digitale Trennverstärkung eines Schaltersignals ................................44 Bild 3-23: Zweikanalige digitale Trennverstärkung von Näherungsschaltersignalen 45 Bild 3-24: Digitale Ventilansteuerung in einem explosionsgeschützten Bereich (nur mit Trennverstärkern der MACX ... EX-Serie) ..............................46 Bild 3-25: Umsetzung von Frequenzen in analoge Werte ...................................47 Bild 4-1: Beispiel für einen Risikographen .........................................................50 Bild 4-2: Beispiel für eine Risikomatrix ..............................................................51 Bild 4-3: Beispiele für zündfähige Gaskonzentrationen in Luft bei Normaldruck 57 Bild 4-4: Ermittlung des Verfahrens zur Konformitätsbewertung .......................59 Bild 4-5: Kennzeichnung von Ex-Produkten ......................................................63 Bild 4-6: Informationen in einer EG-Baumusterprüfbescheinigung ....................64 Bild A-1: Produktbezeichnung von MSR-Produkten ..........................................65 Bild A-2: MINI Analog Pro ..................................................................................70 Bild A-3: MINI Analog ........................................................................................71 Bild A-4: MACX Analog .....................................................................................72 Bild A-5: MACX Safety ......................................................................................73 Bild A-6: MCR Analog .......................................................................................74 Bild A-7: MACX Analog Ex ................................................................................75 Bild A-8: MACX Safety Ex .................................................................................76 Kapitel 4 Anhang A 78 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 B.2 Tabellenverzeichnis Kapitel 2 Tabelle 2-1: Verbreitete Temperaturmessverfahren ................................................17 Tabelle 2-2: Widerstandsthermometer-Typen .........................................................18 Tabelle 2-3: Kennlinie Pt 100 (IEC 751)...................................................................18 Tabelle 2-4: Kennlinie Ni 100 (DIN 43760) ..............................................................19 Tabelle 2-5: Kennlinie Cu 53 (GOST 6651 Į = 0,00426)...........................................19 Tabelle 2-6: Thermoelement-Typen ........................................................................20 Tabelle 3-1: Speisungswege für Signaltrenner: Vor- und Nachteile.........................31 Tabelle 3-2: Interface-Bausteine mit analogen und digitalen Signalein- (IN) und -ausgängen (OUT) ........................................................................34 Tabelle 4-1: SIL-Normen für die Prozessindustrie ...................................................49 Tabelle 4-2: FMEDA-Tabelle aus einer TÜV-Zulassung für ein Gerät .....................54 Tabelle 4-3: Zündquellen.........................................................................................56 Tabelle 4-4: Gerätegruppen und -kategorien nach ATEX-Richtlinien ......................58 Tabelle 4-5: Anforderung an elektrische Betriebsmittel in Ex-Zonen .......................60 Tabelle 4-6: Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche nach EN 60079-10-1....60 Tabelle 4-7: Zonen für staubexplosionsgefährdete Bereiche nach EN 60079-10-2.60 Tabelle 4-8: Zuordnung von Zonen und Gerätekategorien nach Betreiberrichtlinie 1999/92/EG.............................................................60 Tabelle 4-9: Gas-Zünschutzarten für elektrische Betriebsmittel ..............................61 Tabelle 4-10: Schutzniveaus bei Zündschutzart Eigensicherheit...............................62 Tabelle 4-11: Unterteilung der Gas-Zündschutzart „n“ für elektrische Betriebsmittel .62 Tabelle 4-12: Staub-Zündschutzarten für elektrische Betriebsmittel..........................63 Tabelle 4-13: Zuordnung von Gerätekategorie nach ATEX und Geräteschutzniveau nach EN 60079-0:2009........................................................................64 Tabelle A-1: Aufbau Produktbezeichnung MINI MCR ..............................................66 Tabelle A-2: Aufbau Produktbezeichnung MACX MCR ...........................................67 Tabelle A-3: Aufbau Produktbezeichnung MCR.......................................................68 Tabelle A-4: Aufbau Produktbezeichnung MACX MCR-EX .....................................69 Kapitel 3 Kapitel 4 Anhang A 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 79 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 80 PHOENIX CONTACT 105238_de_00 B.3 Stichwortverzeichnis Numerics 2-Leiter-Anschluss ...................................................... 13 3-Leiter-Anschluss ...................................................... 14 4-Leiter-Anschluss ...................................................... 15 Druckmessung ............................................................ 36 Durchflussmenge .......................................................... 9 Durchflussmessung .............................................. 37, 40 E A A/D-Wandler ................................................................. 8 Abtastung...................................................................... 8 Aktoren ....................................................................... 11 Analog- Frequenz-Messumformer .............................. 33 Analog IN .................................................................... 35 Analog In, Digital OUT................................................. 42 Analog OUT ................................................................ 35 analoge Signale ............................................................ 7 analoger Signalausgang ............................................. 34 analoger Signaleingang .............................................. 34 Anzeigegerät................................................................. 8 Aufenthaltsdauer......................................................... 51 ausgansschleifengespeist........................................... 31 B Baumusterprüfung ...................................................... 64 Benennungssystematik............................................... 65 Berührungslose Verfahren .......................................... 11 binäres Signal ............................................................... 8 Bürde .......................................................................... 26 Buszugriffs-Protokoll ................................................... 10 D D/A-Wandler ................................................................. 8 DCS .............................................................................. 9 DDC .............................................................................. 9 Dehnungsstreifen........................................................ 33 Diagnosefunktion ........................................................ 12 Digital IN, Analog OUT ................................................ 47 Digital IN, Digital OUT ................................................. 44 Digitale Trennverstärkung ........................................... 44 digitales Signal.............................................................. 8 digitalisieren .................................................................. 8 Digitalisierung ............................................................. 10 Digitalsignalen............................................................... 8 Drehzahl........................................................................ 9 Druck ............................................................................ 9 105238_de_00 EG-Baumusterprüfbescheinigung ............................... 64 eingansschleifengespeist............................................ 31 Einleitung ...................................................................... 7 Eintrittswahrscheinlichkeit ........................................... 51 Erdstromschleife ......................................................... 29 Ereignisdauer.............................................................. 11 Ereigniserfassung ....................................................... 11 Ereigniszählung........................................................... 11 ETA (Event Tree Analysis) .......................................... 50 Ex i-Trennverstärker.................................................... 75 explosionsfähige Atmosphäre ..................................... 58 explosionsgefährdete Bereiche................................... 55 Explosionsgrenze........................................................ 57 Explosionsschutz ........................................................ 55 F Fault Monitoring .......................................................... 12 Fehlerbeherrschung.................................................... 52 Fehlermeldeausgang .................................................. 44 Fehlervermeidung ....................................................... 52 Feld ............................................................................. 10 Filterung ...................................................................... 27 Frequenz....................................................................... 9 Frequenzmessung ...................................................... 11 FTA (Fault Tree Analysis)............................................ 50 Funktionale Sicherheit................................................. 49 G Galvanische Trennung .................................................. 9 galvanische Trennung................................................. 28 Gaskonzentration........................................................ 57 Gefahrenabwendung .................................................. 51 Gefahrenbereich ......................................................... 51 Gerätegruppe.............................................................. 58 Gerätekategorie .......................................................... 58 Geräteschutzniveau .................................................... 64 Grenzwertgeber .......................................................... 33 PHOENIX CONTACT 81 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik H Hall-Sensor ................................................................. HAZOP (Hazard and Operability Study)...................... Hebebühnensteuerung ............................................... Hysterese.................................................................... 11 50 39 21 I Messwertsignal ............................................................. 7 MINI Analog ................................................................ 71 MINI Analog Pro .......................................................... 70 MSR-Produkte ............................................................ 65 MSR-Technik ................................................................ 7 Multiplexer .................................................................. 33 N Impulsgeber ................................................................ 11 Impulsmessung........................................................... 11 Interface-Baustein......................................................... 9 K Kaltstellenkompensation ............................................. Kennlinie Thermoelement ..................................................... Widerstandsthermometer...................................... Kennlinie Cu53............................................................ Kennlinie Ni100........................................................... Kennlinie Pt100 ........................................................... Kennlinien von Thermoelementen............................... Kennzeichnung von Ex-Produkten .............................. Kommunikationsbus.................................................... Konditionierung ........................................................... Konformitätsbewertung ............................................... Kurzschluss................................................................. 16 20 18 19 19 18 20 63 10 10 59 11 Näherungssensor........................................................ 21 Näherungssensoren.................................................... 45 Normierung ................................................................... 9 Normsignalwandler ..................................................... 27 P Passive Isolation ......................................................... 31 Passivtrenner .............................................................. 40 physikalischen Größe.................................................... 7 PLC ............................................................................... 9 Potenziometer-Sensor ................................................ 39 Potenziometer-Stellungsmessung .............................. 42 Produktbezeichnung ................................................... 65 Prozessleitsystem ......................................................... 9 Prozesstechnik.............................................................. 7 PT100 ......................................................................... 13 Q Quantisierung................................................................ 8 L Leitfähigkeit................................................................... 9 Leitungsüberwachung........................................... 12, 32 Leitungsunterbrechung ............................................... 11 Leitungswiderstände ................................................... 13 Leuchtdiode ................................................................ 12 LFD (Line Fault Detection) .......................................... 45 Life-Zero-Signal .......................................................... 22 Line Fault Detection .................................................... 12 LOPA (Layer of Protection Analysis) ........................... 50 R Regelventilansteuerung .............................................. 38 Risikoanalyse.............................................................. 50 Risikograph ................................................................. 50 Risikoidentifizierung .................................................... 50 Risikoparameter.......................................................... 51 Risikoreduzierung ................................................. 50, 52 S M MACX Analog ............................................................. 72 MACX Analog Ex ........................................................ 75 MACX Safety .............................................................. 73 MACX Safety Ex ......................................................... 76 MCR Analog................................................................ 74 Messsignal.................................................................... 9 Messumformer .......................................................... 8, 9 82 PHOENIX CONTACT Schadensausmaß ....................................................... 51 Schalter....................................................................... 11 Schaltverstärker .......................................................... 33 Schlitzinitiator.............................................................. 11 Sensor....................................................................... 7, 9 NAMUR ................................................................. 21 Potenziometer ....................................................... 39 Shunt........................................................................... 35 105238_de_00 Stichwortverzeichnis Sicherheits-Integritäts level (SIL) ................................ 49 Signal Life-Zero................................................................ 22 True-Zero .............................................................. 22 Signalaufbereitung ........................................................ 9 Signalausgang ............................................................ 34 Signalgewinnung......................................................... 10 Signaltrenner............................................................... 75 Signalumformer............................................................. 8 Signalverarbeitung ...................................................... 10 Signalverdopplung ...................................................... 44 Signalverstärkung ....................................................... 25 SIL (Sicherheits-Integritäts level) ................................ 49 SIL-Kennwerte ............................................................ 53 SPS............................................................................... 9 Staubkonzentration ..................................................... 57 Stellungsmessung....................................................... 42 Steuersignal ............................................................ 7, 11 Steuerungsanlage......................................................... 8 Stoffkonzentration ......................................................... 9 Strommessung............................................................ 35 Stromsenke................................................................. 24 W wertdiskret..................................................................... 8 wertkontinuierlich .......................................................... 7 Widerstandsthermometer............................................ 12 Widerstandsthermometer-Typen ................................ 18 Z Zielgruppe..................................................................... 7 Zoneneinteilung .......................................................... 60 zündfähige Gaskonzentrationen ................................. 57 Zündquellen .......................................................... 56, 58 Zündschutzarten ......................................................... 61 T TC (Thermocouple)..................................................... 16 Telekommunikation....................................................... 8 Temperatur ................................................................... 9 Temperaturmessung................................................... 43 Temperaturmessverfahren.......................................... 17 Thermoelement........................................................... 16 Kennlinie ............................................................... 20 Thermoelement-Typen................................................ 20 Trägersignal .................................................................. 8 Transmitter.............................................................. 9, 23 Trennverstärker........................................................... 25 True-Zero-Signal......................................................... 22 U Umsetzer....................................................................... 8 V Ventilansteuerung ....................................................... 46 Versagenswahrscheinlichkeit...................................... 52 105238_de_00 PHOENIX CONTACT 83 Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik 84 PHOENIX CONTACT 105238_de_00