Funktionale Sicherheit: Stromversorgung für die Prozessindustrie

| Autor / Redakteur: Julia Baumgärtner, Sunit Saran * / Gerd Kucera

Bild 1: Die Plusvariante der Stromversorgung Quint Power wurde in erster Linie für den Einsatz in der Prozessindustrie entwickelt, um hohe Anlagenverfügbarkeit sicherzustellen.
Bild 1: Die Plusvariante der Stromversorgung Quint Power wurde in erster Linie für den Einsatz in der Prozessindustrie entwickelt, um hohe Anlagenverfügbarkeit sicherzustellen. (Bild: Phoenix Contact)

Anforderungen an die Anlagenverfügbarkeit und Anlagensicherheit sind in der Prozessindustrie oft höher als in anderen Branchen. Die hier skizzierte Stromversorgung ist darauf besonders ausgelegt.

Um die Ausfallsicherheit verfahrenstechnischer Anlagen zu verbessern hat Phoenix Contact eine neue Plusvariante der Stromversorgungen für die Baureihe Quint Power entwicklelt und mit neuen Funktionen versehen. Überall dort, wo der Ausfall von Anlagen zu hohen Kosten oder gar zu Störfällen führt, die Mensch und Umwelt gefährden, sind die Anforderungen in Bezug auf die Funktionstüchtigkeit besonders hoch. Sowohl bei Förderung, Transport oder Verarbeitung von Öl und Gas als auch bei Produktionsanlagen oder Verpackungseinheiten des Chemie- und Pharmasektors müssen hochkomplexe Prozessanlagen auch unter extremen Bedingungen den steigenden Anforderungen gerecht werden.

Da zum Beispiel der Ausfall einer Steuerung in einer Raffinerie großen Schaden anrichten kann, müssen Geräte hier besonders sicher sein. Die neue Plusvariante der Quint-Power-Stromversorgungen hat 20 A Nennausgangsstrom und ist damit für den Einsatz in der Prozessindustrie gut gerüstet. Mit integriertem Entkopplungs-MOSFETs ermöglicht sie im redundanten Aufbau eine sichere Versorgung. Mit ihrer doppelt ausgeführten Schutzschaltung gegen Überspannungen (Overvoltage Protection, OVP) schaltet die Plusvariante den Ausgang zum Schutz des Verbrauchers ab. Eine Schutzlackierung und eine SIL3-Zulassung erhöhen die Betriebssicherheit zusätzlich.

Höhere Verfügbarkeit durch integrierte Redundanz

Wo Versorgungssicherheit großgeschrieben wird, kommen redundante Stromversorgungskonzepte zum Einsatz. Klassische Einsatzgebiete redundanter Stromversorgungssysteme sind beispielsweise die Bereiche Öl und Gas sowie die chemische Industrie. Doch auch in anderen Bereichen der Industrie kann der Ausfall der Versorgungsspannung schnell den Verlust einer kompletten Charge bedeuten, etwa in der Glasherstellung. Weitere Einsatzgebiete einer redundanten Spannungsversorgung sind Kraftwerke und industrielle Produktionsanlagen, in denen jede Minute Stillstand hohe Kosten verursacht.

Für die Redundanz der 24-V-Versorgung werden üblicherweise zwei Stromversorgungen parallelgeschaltet und mithilfe von externen Redundanzmodulen voneinander entkoppelt. Wenn eine Stromversorgung ausfällt, übernimmt die andere. Je nach Anforderung der Applikation kommen unterschiedliche Redundanzkonzepte zum Einsatz, von der einfachen Entkopplung mit passiven Diodenmodulen bis hin zur intelligenten Lösung mit aktiven Redundanzmodulen.

Bisher ist der Einsatz von externen Redundanzmodulen üblich, in unterschiedlichen Applikationen werden Stromversorgungen dadurch entkoppelt. Die Quint Power-Plusvariante mit 20 A Nennausgangsstrom besitzt nun erstmals über eine integrierte Entkopplungsfunktion, die den Einsatz externer Module nicht mehr erfordert (Bild 2). Mit dem integrierten Entkopplungs-MOSFETeignet sich die Plusvariante für 1+1-Redundanz und n+1-Redundanz in der Prozessindustrie. Im Schaltschrank wird damit viel Platz gespart. Im Parallelbetrieb sind die Stromversorgungen vollständig voneinander entkoppelt. Kommt es bei einem Gerät zu einem Defekt oder Ausfall, übernimmt das zweite Gerät automatisch die gesamte Versorgung und verhindert einen ungewollten Anlagenstillstand.

Im Vergleich zu anderen marktgängigen Standard-Stromversorgungen mit integrierter Entkopplungsfunktion besitzt die Stromversorgung Quint Power zusätzlich eine präventive Funktionsüberwachung. Mit individuell einstellbaren Meldeschwellen des Ausgangsstroms wird eine asymmetrische Lastverteilung oder auch eine Überlast im Fehlerfall erkannt und signalisiert. So kann der Anwender die Redundanz frühzeitig wiederherstellen. Im Hinblick auf eine dauerhaft hohe Anlagenverfügbarkeit spielt die Beherrschung und Signalisierung der Fehlerbilder in der Prozessindustrie eine wichtige Rolle.

Mehr Betriebssicherheit durch doppelte OVP

Zur sicheren Versorgung der Anlage ist eine stabile Regelung der 24-V-Versorgung notwendig. Störeinflüsse auf die Regelung können durch interne oder äußere Einwirkungen verursachte Fehler sein. Dabei kann es sich um das Eindringen von Verunreinigungen handeln, wie Metallspäne oder leitfähiger Staub. Dadurch kann es zu deinem Spannungseinbruch oder Spannungsanstieg kommen. Ein Spannungseinbruch am Verbraucher wird durch ein redundantes System vermieden. Steigt die Spannung hingegen unerwünscht an, führt dies zu einer Überspannung am Verbraucher und gefährdet die Anlagensicherheit. Anlagen können dann beschädigt werden oder ganz ausfallen. Um Verbraucher gegen derartige Überspannungen zu schützen, werden normalerweise externe Überspannungsmodule eingesetzt, beispielsweise vor Sicherheitssteuerungen in der Prozessindustrie.

Bild 2: Die Plusvariante der Quint Power bietet durch den integrierten Entkopplungs-MOSFET hohes Potenzial für Platz- und Kosteneinsparungen in der Anlage.
Bild 2: Die Plusvariante der Quint Power bietet durch den integrierten Entkopplungs-MOSFET hohes Potenzial für Platz- und Kosteneinsparungen in der Anlage. (Bild: Phoenix Contact)

Die Plusvariante der Quint Power schützt den Verbraucher eigenständig vor einem Spannungsanstieg, eine nachgeschaltete externe Spannungsbegrenzung ist nicht erforderlich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen schaltet die Plusvariante durch eine doppelte OVP beim Ausfall der Spannungsregelung den Ausgang zum Schutz der Verbraucher ab. Phoenix Contact bietet als erstes und bislang einziges Unternehmen diese Innovation für Hutschienen-Netzteile. Gängige Hutschienen-Netzteile begrenzen die Ausgangsspannung im Fehlerfall nur auf bis zu 35 VDC, was zur Schädigung der Verbraucher und damit zum Anlagenstillstand führen kann.

Bild 3: Aufgrund des Überspannungsschutzes (Overvoltage Protection, OVP) schaltet die Plusvariante der Quint Power (hier das Modell Quint4-PS/1AC/24/DC/20/+) den Ausgang bei einem Fehler der Spannungs­regelung ab.
Bild 3: Aufgrund des Überspannungsschutzes (Overvoltage Protection, OVP) schaltet die Plusvariante der Quint Power (hier das Modell Quint4-PS/1AC/24/DC/20/+) den Ausgang bei einem Fehler der Spannungs­regelung ab. (Bild: Phoenix Contact)

Die TÜV-zertifizierte doppelte OVP vermindert das Risiko eines Anlagenstillstands erheblich. Sie erfüllt die Anforderungen nach funktionaler Sicherheit (SIL) auf Basis von IEC61508 und IEC61511, der Sicherheitsnorm für die Prozessindustrie. Mit einem Sicherheitsintegritätslevel SIL3 und einer Hardware-Fehlertoleranz HFT=1 erhöht sie die Betriebssicherheit. Bei der Power-Plusvariante wird im Fehlerfall der Spannungsregelung die Ausgangsspannung der Stromversorgung auf <=30 VDC begrenzt, bevor die Stromversorgung zum Schutz der Verbraucher abschaltet. Im Redundanzbetrieb werden die Lasten somit weiterhin stabil, sicher und zuverlässig versorgt (Bild 3).

Einsatz bei jeder Witterung durch Schutzlackierung

Bild 4: Die optimierte Oberfläche durch Lackierung der Plusvariante schützt zuverlässig vor Stäuben, Gasen und Luftfeuchtigkeit und ermöglicht dadurch einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen.
Bild 4: Die optimierte Oberfläche durch Lackierung der Plusvariante schützt zuverlässig vor Stäuben, Gasen und Luftfeuchtigkeit und ermöglicht dadurch einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. (Bild: Phoenix Contact)

Nicht selten herrschen in der Prozessindustrie extreme Bedingungen vor, denen Anlagen und Geräte standhalten müssen. Denn nicht nur in der chemischen und der petrochemischen Industrie ist Explosionsschutz ein Thema. Auch in vielen anderen Anwendungen kommen brennbare und explosionsfähige Stoffe in Form von Gasen und Stäuben vor. Mit einer Schutzlackierung und der ATEX-/IECEx-Zulassung nach den Normen IEC60079-0, IEC60079-7, IEC60079-11 und IEC60079-15 versorgt die neue Plusvariante auch innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs (Zone 2) die Anlage sicher. Eine konforme Lackierung der Leiterplatte schützt vor Stäuben und Gasen sowie bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit. Begünstigt wird der Geräteeinsatz unter extremen Bedingungen auch durch den zugelassenen Temperaturweitbereich von –40 bis einschließlich 75 °C (Bild 4).

Fazit: Mit den skizzierten Eigenschaften eignet sich die Plusvariante Quint Power für Applikationen mit extremen Anforderungen an Verfügbarkeit und Sicherheit. Alle Fehlerarten im Hinblick auf Anlagenverfügbarkeit werden durch die Funktionen der Plusvariante überwacht. Durch das Zusammenspiel von integrierter Redundanz, doppelter OVP, SIL3-Zulassung sowie Schutzlackierung und ATEX/IECEx-Zulassung erfüllt das System die Anforderungen der Prozessindustrie. Der Einsatz der Plusvariante bietet neben der hohen Anlagenverfügbarkeit auch Platz- und Kostenersparnis durch einen vereinfachten Aufbau. Zusätzliche externe Module sind überflüssig.

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* Julia Baumgärtner arbeitet im Marketing-Communications-Team bei Phoenix Contact Power Supplies, Paderborn.

* Sunit Saran verantwortet das Produkt-Marketing bei Phoenix Contact Power Supplies, Paderborn.

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