Brisante Power - All

Energieversorgung von Feldgeräten in Ex-Bereichen:
Brisante Power
In explosionsgefährdeten Bereichen setzt die Prozessindustrie
Achema:
auf eigensichere Anschlusstechnik Halle 9.1,
– die Begrenzung der übertrageStand J 13-18
nen Energie auf den Signalleitungen. Genau daran kränkeln jedoch
die Feldbusse für Ex-Bereiche. Abhilfe schaffen eigensichere Remote-I/Os - zumindest in Bereichen mit
hoher Feldgeräte-Konzentration. Aber auch hier wird
nicht wenig Energie benötigt. Turck geht bei der Spanungsversorgung ihres excom neue Wege und verwendet ein Netzteil mit hochfrequenter (250kHz), nichteigensicherer AC-Spannung.
ede Produktion braucht Energie, egal
ob endotherme oder exotherme Vorgänge – für die Automatisierungstechnik
wird auf jeden Fall Energie benötigt.
Signale von Messfühlern und Gebern
müssen aus und in den Ex-Bereich übertragen werden, um einen kontrollierten
Ablauf zu gewährleisten. Als Standard
J
gelten heute neben genormten Signalen
nach NAMUR natürlich die üblichen
0/4...20 mA-Schnittstellen. Im Allgemeinen werden die Feldgeräte über Einzelverdrahtung an eine im sicheren Bereich
installierte Ex-Barriere angeschlossen,
die für die erforderliche Trennung sorgt.
Diese Trennstellen sind überwiegend ei-
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gensicher ausgeführt, d.h.
thermische Effekte oder Funken, die im normalen Betrieb
oder im Fehlerfall zur Entzündung einer explosionsfähigen Atmosphäre führen
könnten, werden sicher unterdrückt.
Dies führt zu gravierenden
Einschränkungen bei der
Energiezuführung. In Abhängigkeit der Ex-Zone bzw. der
eventuell vorhandenen explosionsfähigen Materialien
dürfen Strom und Spannung
auf der Signalleitung nur einige Milliampere und Volt betragen. Bei größeren Leistungen müssen Schutzarten wie
die druckfeste Kapselung
(Ex d) oder der sichere Verguss (Ex m) eingesetzt werden. Leider haben diese
Schutzarten den Nachteil,
dass ein Arbeiten an einem
aktiven Stromkreis (unter
Spannung) verboten ist. Der jeweilige
Stromkreis muss dann vor Wartungsarbeiten abgeschaltet werden. Bei kontinuierlichen Prozessen ist das jedoch
nahezu unmöglich. Die Alternative, mittels Erlaubnisschein der Werksfeuerwehr
(Feuerschein) unter Spannung zu arbeiten, bedeutet bei Störungen meist inakzeptable Totzeiten bis mit der Reparatur
begonnen werden darf.
Eigensichere Installationen – Hemmschuh für die
Feldbusse in Ex-Zonen?
So ist es nicht verwunderlich, dass sich
die Eigensicherheit in der Chemie, Petrochemie und Pharmazie durchgesetzt hat.
Gerade dies scheint sich aber als ein
Hemmschuh bei der Einführung von
Feldbussen im Bereich der Prozessautomation zu erweisen. Der Vorteil von Bussystemen wird neben den umfassenden
Diagnose- und Parametriermöglichkeiten, vor allem in der kostengünstigen Installation gesehen. Dies ist aber der Installationsart ‘Eigensicherheit’ diametral
entgegengesetzt, denn die Leistungsbegrenzung eigensicherer Feldbussysteme wie Foundation Fieldbus oder Profibus-PA erlaubt nur den Anschluss von
4...10 Teilnehmern. Im sicheren Bereich
sind dagegen bis zu einige hundert Teilnehmer ermöglich. Damit ist eine durch-
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D A T EN TEC H N IK
gehende Installation mit den o.g. Feldbussen nur in Ausnahmefällen sinnvoll.
Seit einiger Zeit werden daher Alternativen diskutiert. Unter anderem gibt es
Überlegungen, die Ex-Zonen neu zu
definieren. Ziel ist eine Minimierung der
Bereiche mit eventuell bzw. dauernd
zündfähigen Atmosphären. Doch diese
normative Lösung wird erst in einigen
Jahren greifen. Eine Alternative, die Vorteile der Busstechnologien auch im EXBereich zu nutzen, ist von einigen Herstellern teils in Kooperationen untereinander entwickelt worden: Remote-I/Os
für die direkte Installation im Ex-Bereich
(Zone 1 oder 2). Sinnvoll ist ihr Einsatz
allerdings nur bei einer Konzentration der
Feldsignale in einem relativ kleinen Volumen von einigen m3.
Aber auch hier brauchen die Feldgeräte
Energie – 60 Ventile à 0,5 W ergeben allein schon 30 W. Hinzu kommen noch
die interne Elektronik, Feldbusankopplung und die Sensorik. So ergeben sich
für manche I/O-Station leicht über 50 W
Leistungsaufnahme, die über Netzteile in
den unterschiedlichsten Variationen zur
Verfügung gestellt wird.
Eingangsseitig wird die Versorgungsspannung (24VDC oder 115/230VAC) in
Ex e (erhöhte Sicherheit) zugeführt, die
einzige Möglichkeit, die benötigte Energie sicher einzuspeisen. Den Nachteil,
dass man dann unter Spannung keine
Arbeiten an der Zuführung durchführen
kann, wird billigend in Kauf genommen.
Manche Lösungen erlauben die Verwendung redundanter Netzteile. Andere
wiederum bieten die Möglichkeit, das
Netzteil auch unter Spannung auszuwechseln, sei es durch einen internen Abschaltmechanismus oder einen
Steckverbinder. Beides entspricht der
Schutzart Ex d, die ein Stecken oder Ziehen im laufenden Betrieb erlaubt. Bei
beiden Lösungen ist der Anschluss der
Versorgungsspannung vom eigentlichen
Netzteil getrennt.
Ausgangsseitig gibt es bei den Netzteilen Unterschiede. Die gängigste Variante
liefert eine eigensichere Ausgangsspannung, d.h. die einzelnen I/O-Module werden mit einer Versorgung nach Schutzart
Ex i gespeist. Damit ist der Modultausch
auch im laufenden Betrieb sichergestellt.
Allerdings benötigt man bei dieser Lösung entweder mehrere kleine Netzteile
oder ein großes mit mehreren Ausgängen. Eine weitere Möglichkeit ist die Versorgung der I/O-Module in Schutzart Ex
e. Die Maßnahmen zur Herstellung der
Eigensicherheit erfolgen dann in den I/OBaugruppen. Um den notwendigen
Schutz nach außen zu gewährleisten,
werden sie üblicherweise vergossen
(Schutzart Ex m). Der Anschluss der Module an die Versorgung ist mit Ex d
Steckverbindern ausgeführt.
HF-Netzteil bringt die
4-fache Leistung in den
Ex-Bereich
Turck beschreitet für die Spannungsversorgung bei ihrem Remote-I/O Excom
neue Wege: Im Gegensatz zu den üblichen DC-Ausgängen erzeugt das Netzteil eine hochfrequente (250 kHz), nichteigensichere AC-Spannung. Sie wird
über eine Backplane in Schutzart Ex m
verteilt. Die Leistungsbegrenzung gemäß
sich kompakte Abmessungen realisieren
lassen (bis zu 128 I/O-Anschlüsse in einem Feldgehäuse der Größe 500 x 400 x
165 mm).
Bei der Installation in Zone 1 können bis
zu 128 binäre bzw. 64 analoge Feldgeräte aus Zone 0 angeschlossen und mit einem Netzteil versorgt werden. Ebenso
lässt sich ein zweites Netzteil parallel
schalten, das einen stoßfreien Austausch
unter Spannung auch in Zone 1 ermöglicht (Redundanz). Eine trickreiche
Mechanik schaltet dabei die Spannungsversorgung des zu wechselnden Netzteils ab.
Auch bei den Abmessungen schneiden
die Netzteile gut ab (45 x 155 x 106 mm
bei 60 W). Daher eignet sich Excom
nicht nur als reines Remote-I/O-System,
sondern auch als ‘Versorgungsinsel’ für
Feldbusse wie PA oder FF. Diese Syste-
Aufgrund der AC-Spannung können mit nur einem Netzteil bis zu 128 binäre bzw. 64
analoge Feldgeräte aus Zone 0 angeschlossen und versorgt werden
der Zündschutzart Eigensicherheit erfolgt über Induktivitäten für jedes I/OModul getrennt auf der Backplane. Da
bei Wechselstrom die bis zu 4-fache
Leistung gegenüber der DC-Lösung
möglich ist, stehen den I/O-Modulen
wesentlich größere Energiemengen als
bisher zur Verfügung. Die benötigte Leistung holt sich das jeweilige I/O-Modul
über die AC/AC-Kopplung in das Modul
und wandelt sie dort erst auf das benötigte Niveau. Funkenbildung bei Modulwechseln im laufenden Betrieb ist
aufgrund der magnetischen Kopplung
ausgeschlossen. Zudem erzeugen die
Spulen keine Verlustwärme, so dass
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me kränkeln bei Installationen in Zone 1
bisher an Energieknappheit. Mit den HFNetzteilen wäre ausreichend Energie vorhanden, um bis zu 8 Bussegmente an einer Excom-Station anzuschließen und zu
versorgen, d.h. der Anschluss von bis zu
64 Feldgeräten wäre denkbar. Mit einigen Modifikationen könnte die bisherige
excom-Busanschaltung als digitale Ex-iTrennstufe den kommenden eigensicheren Profibus-DP vom normalen DP-Netzwerk trennen und damit die bisherigen
Segmentkoppler ersetzen.
excom
Remote-I/O für Ex-Zonen
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