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Phoenix Contact Sicheres Koppelrelais für die Ex-Zone 2

Autor / Redakteur: Wolfgang Boll / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Bei prozesstechnischen Anlagen erfolgt die notwendige galvanische Trennung in der Regel über sogenannte Koppelrelais. Für den platzsparenden Einbau wurde nun eine besonders schmale Baureihe entwickelt.

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Bild 1: Eine besonders schmal ausgeführte Koppelrelais-Baureihe eignet sich für Anwendungsfälle mit nur wenig Platz.
Bild 1: Eine besonders schmal ausgeführte Koppelrelais-Baureihe eignet sich für Anwendungsfälle mit nur wenig Platz.
(Bild: Phoenix Contact)

Mit der Produktfamilie PSR Mini bietet Phoenix Contact eine Baureihe sicherer Koppelrelais, die nicht nur besonders schmal sind, sondern ebenfalls die Anforderungen der Branche erfüllen (Bild 1). Die richtige Auswahl der in der Koppel- oder Marshalling-Ebene verbauten Module hängt von verschiedenen Kriterien ab. Dazu zählen neben der Berücksichtigung technischer Daten die bestimmungsgemäße Verwendung des Geräts, die einzuhaltenden Normen und benötigten Diagnosefunktionen sowie unter Umständen die Einbeziehung besonderer Umgebungsbedingungen. In vielen Projekten spielt zudem der notwendige Platzbedarf eine wesentliche Rolle. Um den unterschiedlichen Anforderungen der prozesstechnischen Applikationen gerecht werden zu können, hat Phoenix Contact eine eigene Produktfamilie entwickelt, die aus SIL-zertifizierten Koppelmodulen für genau diesen Einsatzbereich besteht.

Platz und Zeit sind stets knapp bemessene Rahmenbedingungen, denen bei der Planung und Projektierung von industriellen Anwendungen eine große Bedeutung zukommt. Insbesondere in der Prozessindustrie finden sich häufig Applikationen mit einer relativ hohen Kanaldichte, weshalb zahlreiche Anlagenbetreiber SIL-3-zertifizierte Koppelrelais in schmalerer Bauform fordern. Voraussetzung für die Entwicklung der neuen Koppelrelaisfamilie war die erfolgreiche Miniaturisierung des zwangsgeführten Elementarrelais, welches von der Baugröße das limitierende Element darstellte.

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Hohe Kurzschlussfestigkeit bei geringer Leistungsaufnahme

Obwohl das selbst entwickelte Elementarrelais eine Baubreite von lediglich 6 mm aufweist, verfügt es über die gleichen Leistungsdaten wie klassische Elementarrelais mit Zwangsführung. So ist der Schließerkontakt für einen maximalen Dauerstrom von 6 A ausgelegt, sodass sich auch hohe Lasten zuverlässig schalten lassen. Der optimiert gestaltete Lastkontakt sorgt ferner für eine hohe Kurzschlussfestigkeit, während das patentierte Funktionsprinzip des Antriebssystems die Leistungsaufnahme verringert (Bild 2).

Zuverlässige Funktionsweise über die gesamte Lebensdauer

Großen Wert hat das Entwicklungsteam außerdem auf die Zuverlässigkeit des Elementarrelais gelegt. Deshalb stellt eine robuste Stahlfeder die konstante Kontaktkraft über die gesamte Lebensdauer sicher. Das symmetrisch aufgebaute Magnetsystem erweist sich als robust gegenüber jeglicher mechanischen Beanspruchung. Der redundant konzipierte Diagnosekontakt trägt ebenfalls zu einer hohen Zuverlässigkeit bei. Darüber hinaus kann das Relais durch die Einhaltung der entsprechenden Richtlinien im Ex-Bereich der Zone 2 genutzt werden.

Die besonderen Herausforderungen bei der Entwicklung des zwangsgeführten Elementarrelais ließen sich nur durch ein eingespieltes Team meistern. Auf Basis ihrer Erfahrungen aus der Automobilindustrie, wo naturgemäß hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt werden, sowie unter Verwendung der Gesetze aus der Bruchmechanik und der Festigkeitslehre der Avionik haben die Mitarbeiter ein patentiertes Relaiskonzept erarbeitet. Im Ergebnis ist das zwangsgeführte Elementarrelais schließlich durch den TÜV Rheinland und den VDE zugelassen worden. Um der geforderten Fertigungsgenauigkeit gemäß den hohen Qualitätsansprüchen von Phoenix Contact gerecht zu werden, produziert das Unternehmen das Elementarrelais mit allen Einzelteilen komplett selbst.

Sichere Unterbrechung von Stromkreisen

Sichere Systeme (Safety Instrumented Systems; SIS) erfüllen verschiedene Sicherheitsfunktionen. Neben dem bestimmungsgemäßen Einsatz zum sicheren Abschalten (Emergency Shut Down) kommt immer öfter die Frage des sicherheitsgerichteten Einschaltens (Fire & Gas) eines Feldgeräts auf. Beide Funktionen bedingen eine eigenständige Struktur sowie Auswahl der Bauteile, die sich grundlegend von den jeweils anderen unterscheiden. Insbesondere bei Applikationen, in denen es um das sicherheitsgerichtete Unterbrechen von Stromkreisen geht, werden die von Phoenix Contact selbst entwickelten und bislang schmalsten am Markt erhältlichen zwangsgeführten Elementarrelais genutzt. Die Besonderheit der Zwangsführung gemäß EN 50205 liegt darin, dass der Öffner und der Schließer eines Relais niemals zeitgleich geschlossen sein dürfen. Das wird über eine mechanische Verbindung der Kontakte – also die sogenannte Zwangsführung – erreicht und greift auch im Fall eines verschweißten Kontakts.

Sofortige Rückmeldung eines potenziellen Fehlers

Im Zusammenhang mit sicheren Funktionen nimmt die Diagnose ebenfalls einen stetig größeren Stellenwert ein. Dies resultiert zum einen daraus, dass die normativ vorgeschriebene Funktionsprüfung der einzelnen Module zeitaufwendig und zum anderen teilweise nur bedingt aussagekräftig ist. Dort setzt setzt die neue Generation von Koppelrelais Maßstäbe. Durch die Verwendung beispielsweise von Testpulsen oder einer Dauerstrommessung können sichere Steuerungen den Loop vom eigenen digitalen Ausgang bis zum Aktor überwachen. Sollte innerhalb des angeschlossenen Sicherheitsrelais beispielsweise ein Lastkontakt verkleben, wird das über den zwangsgeführten Öffnerkontakt erkannt. In der Folge erhöht sich die Eingangsimpedanz so weit, dass die Erwartungshaltung der sicheren Steuerung nicht mehr erfüllt ist. Eine solche Art der Rückmeldung erspart dem Anwender rund 90 % an Arbeitsaufwand. Außerdem wird keine weitere Hardware in Form von zusätzlichen digitalen Eingängen benötigt. Je nach eingesetztem Gerät ist die Rückmeldung ferner sogar SIL-qualifiziert. Das bedeutet, dass im 6 mm schmalen Modul zwei sichere Funktionen miteinander kombiniert sind: die sichere Unterbrechung eines Stromkreises sowie die sichere Rückmeldung eines potenziellen Fehlers.

Bei Geräten zum sicheren Einschalten erweist es sich als besonders wichtig, eine durchgehende und ganzheitliche Diagnose bis zum Feldgerät sicherzustellen, weil ihr Normalzustand in den meisten Fällen ausgeschaltet (de-energised) und somit lediglich im Notfall eingeschaltet (energised) ist. Der Begriff „ganzheitlich“ drückt dabei eine nahtlose Diagnose von der Steuerung bis zum Aktor aus. Dazu werden am Modul ein- und ausgangsseitig sowohl Drahtbruch als auch Kurzschluss der Lastspannungs- und Diagnosespannungsversorgung überwacht (Bild 3).

Zahlreiche Zertifizierungen für vielfältige Einsatzbereiche

Insbesondere in der Prozessindustrie treten oftmals anspruchsvolle Umgebungsbedingungen auf. Aufgrund der umfangreichen Tests und Zulassungen lassen sich die sicheren Koppelmodule der Produktfamilie PSR Mini deshalb selbst in Applikationen nutzen, die über den Standardanwendungsbereich hinausgehen.

Als Beispiel sei die G3-Konformität gemäß ISA S71.04-1985 genannt, sodass die PSR-Minimodule ebenfalls in besonders korrosiven Atmosphären verwendet werden können. Die Konformität wird durch ein gut abgestimmtes Leiterplattendesign in Verbindung mit einem sorgfältig aufgetragenen Schutzlack erreicht. Neben den Standardzertifizierungen nach IEC 61508 und IEC 61511 bieten die sicheren Koppelrelais zudem eine IECEx- sowie Atex-Zertifizierung, die den dezentralen Aufbau einer Applikation bis in die Zone 2 vereinfacht.

Für die Inbetriebnahme der Anlagen respektive Anlagenteile muss ein nicht unerheblicher Zeitbedarf eingeplant werden. In diesem Zusammenhang nimmt die Beseitigung von Verdrahtungsfehlern oft einen großen Anteil ein. Deshalb kann der Anwender die sicheren Koppelrelais der Produktfamilie PSR Mini mit dem passenden Termination Carrier kombinieren.

Schnelle Inbetriebnahme durch effiziente Systemverkabelung

Der Modulträger verbindet die Vorteile einer Plug-and-play-Lösung mit den technischen Eigenschaften der modularen Schaltgerätetechnik zu einem effizienten Systemverkabelungskonzept. Auf der mechanisch entkoppelten Platine des Termination Carriers wird darüber hinaus eine diodenentkoppelte Spannungseinspeisung zur Verfügung gestellt. Ferner ist ein Relais vorhanden, das einen potenzialfreien Kontakt zur Meldung einer fehlerhaften Spannungsversorgung umfasst. Zur einfachen Loop-Berechnung, Projektierung und Anfertigung der Dokumentation sind außerdem alle relevanten Kennwerte und Zertifikate erhältlich (Bild 4).

Alternativ zum Termination Carrier wird auch das VIP-IO-Marshalling-Konzept angeboten, das den Ansatz der stehenden Verdrahtung verfolgt. Wie beim Termination Carrier setzt sich das System aus zwei Teilen zusammen: dem Board sowie den jeweiligen Modulen. Sein Vorteil liegt darin, dass die bestehende Verdrahtung bei einem potenziellen Gerätetausch nicht mehr gelöst werden muss, weil das Modul ohne weitere Vorverdrahtung an den vorgesehenen Platz gesteckt wird. Eine Verwechslung des Moduls wird über eine entsprechende Codierung ausgeschlossen (Bild 5).

* Dipl.-Ing. Wolfgang Boll ist Mitarbeiter im Produktmarketing Safety bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in 31812 Bad Pyrmont

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