Anwenderhandbuch MSR-Technik

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
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GEFAHR
Hinweis auf eine gefährliche Situation, die – wenn sie nicht vermieden wird – einen Personenschaden bis hin zum Tod zur Folge
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haben kann.
VORSICHT
Hinweis auf eine gefährliche Situation, die – wenn sie nicht vermieden wird – eine Verletzung zur Folge haben kann.
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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
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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
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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
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PHOENIX CONTACT
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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
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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.
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PHOENIX CONTACT
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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
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PHOENIX CONTACT
Analoges Signal vom Sensor bis zur Steuereinheit
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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.
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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.
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PHOENIX CONTACT
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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.
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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
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PHOENIX CONTACT
Analog Digital Converter (Analog-Digital-Umsetzer)
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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
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Common Mode Voltage (Gleichtaktspannung)
PHOENIX CONTACT
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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
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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
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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)
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PHOENIX CONTACT
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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
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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.
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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
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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]
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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–
–
–
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
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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
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PHOENIX CONTACT
83
Analoge Signalübertragung in der MSR-Technik
84
PHOENIX CONTACT
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