Signaltrennung – vor allem zählt Praxistauglichkeit

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Gastbeitrag

Signaltrennung bedeutet galvanische Trennung und sichert die Signalqualität in der Prozessautomatisierung. Signaltrenner bieten darüber hinaus weitere wichtige Funktionen.

Die Effizienz von Prozessen ist unter anderem abhängig von der zuverlässigen Signalübertragung zwischen Feldgerät und Steuerung. Die Auswirkungen von Störungen im Signalkreis zu begrenzen, ist die Aufgabe der galvanischen Trennung von Signaltrennern, die je nach Ausführung auch Zusatzfunktionen wie Signalsplitting oder Messumformung bieten. Entscheidend aus Anwendersicht ist aber vor allem praxisgerechte Ausführung der Produkte.
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Ohne galvanische Trennung kann über die gemeinsame Erdung von Feldgeräten und Steuerung ein Ausgleichsstrom fließen, der den Signalstrom verfälscht Grafik: Pepperl + Fuchs

Ohne galvanische Trennung kann über die gemeinsame Erdung von Feldgeräten und Steuerung ein Ausgleichsstrom fließen, der den Signalstrom verfälscht
Grafik: Pepperl + Fuchs

Kommt es im Signalweg zwischen Feld- und Leitebene zu Störungen, werden Prozessabläufe aufgrund verfälschter Signale fehlerhaft gesteuert oder es entstehen Gefahren für Personal und Anlagenteile. Eine potentielle Ursache solcher fehlerhaften Signale sind Ausgleichsströme durch Erdschleifen. Sie entstehen durch Potenzialunterschiede zwischen geerdeten Feld- und Steuerungsseiten. Diese Ausgleichsströme führen zu Abweichungen der Mess- und Steuerungssignale vom tatsächlichen Wert und können die Kommunikation so stark beeinträchtigen, dass eine sichere Prozesssteuerung nicht mehr möglich ist. Ähnliche Probleme treten durch Einkopplungen von elektromagnetischer Strahlung jeglicher Art auf.

Gefährliche Störungen können auch direkt über den Signalpfad gelangen, zum Beispiel, wenn bei netzgespeisten Geräten wie Pumpen, Motoren oder Lüftern ein Isolationsfehler auftritt oder das Messsignal auf hohem Potential liegt (Shunt-Messungen). In diesem Fall können hohe Spannungen im Signalkreis auftreten, ohne Schutzvorrichtungen sind Bedienpersonal und Steuerung gefährdet. Signaltrenner gewährleisten den Berührschutz und schützen Anlagen vor Zerstörung.

Der Einsatz von Signaltrennern ist vor allem sinnvoll:

  • in ausgedehnten Anlagen mit langen Signalwegen
  • wenn die Umgebung der Signalleitung in nennenswertem Umfang elektromagnetisch belastet ist, beispielsweise durch andere Signale oder durch Motoren mit Frequenzumrichtern
  • wenn in den Eingängen der Steuerungen keine individuellen galvanischen Trennungen vorhanden sind
  • bei Messspannungen mit hohem Potential
  • bei Gefahr von hohen Potentialen im Fehlerfall
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Signaltrenner leisten mehr als nur galvanische Trennung
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Die galvanische Trennung verhindert Ausgleichströme in Erdschleifen und schützt die Steuerung auch vor anderen Störungen Grafik: Pepperl + Fuchs

Die galvanische Trennung verhindert Ausgleichströme in Erdschleifen und schützt die Steuerung auch vor anderen Störungen
Grafik: Pepperl + Fuchs

Über den Schutz von Signalen, Menschen und Anlagen hinaus erbringen Signaltrenner viele weitere nützliche Dienste. Eine Signalumformung ist erforderlich, wenn die Eingangskarten von Steuerungen nicht die Signale unterstützen, die von den Feldgeräten geliefert werden. Diese Situation tritt insbesondere bei kleinen, kostengünstigen Steuerungen auf, die standardmäßig oft nur Spannungseingänge vorhalten. Jedes Stromsignal erfordert dann eine Signalumformung. Außerdem sind die Analogeingänge meist passiv ausgeführt, können die Sensoren also nicht mit Energie versorgen. Abhilfe schafft eine Transmitterspeisung mit Strom- oder Spannungsausgang über einen Signaltrenner. Hinzu kommt: Kleine SPS unterstützen auf der Feldseite oft nur wenige Signaltypen. Eingänge für marktübliche Temperatursensoren wie Thermoelemente oder Widerstandsthermometer fehlen häufig.

Signaltrenner schützen vor dem Einfluss von EMV-Störungen, verursacht unter anderem durch die hochenergetischen Störspektren von zunehmend häufiger eingesetzten Frequenzumrichtern. Solche hochfrequenten Überlagerungen des Signals können ohne Schutzvorrichtungen Fehlsteuerungen auslösen. Signaltrenner filtern hochfrequente Störungen. Häufig werden Signale auf der Ausgangsseite mehrfach benötigt, beispielsweise für Steuerungen, Notabschaltungen oder Datenerfassungen. Dabei dürfen an der Ausgangsseite nicht mehrere Systeme in Reihe geschaltet werden. Falls eine Verbindung unterbrochen wäre, würden auch die anderen Systeme kein Signal mehr erhalten. Die galvanisch getrennten Ausgänge eines Signal-Splitters garantieren die zuverlässige Verteilung der Prozesssignale auf verschiedene Systeme. Das Problem der hohen ohmschen Lasten in einer Reihenschaltung wird vermieden. Weiterhin ermöglichen Signaltrenner Kombinationen von Quellen und Senken, die bei direkter Zusammenschaltung nicht funktionieren würden. Darüber hinaus bieten Signaltrenner eine rückwirkungsfreie Strombegrenzung für jeden einzelnen Stromkreis. Ein Kurzschluss im Sensor der Versorgung, zum Beispiel durch Isolationsfehler oder Wartungsarbeiten, kann die Funktion aller Feldgeräte beeinträchtigen, die von derselben Versorgungsleitung versorgt werden. Signaltrenner versorgen jedes Feldgerät separat und galvanisch getrennt. Ausgänge auf der Steuerungsseite werden in den sicheren Zustand geschaltet.

Safety first – die Trennqualität
Zentrale Forderung der Kunden ist eine gute Trennqualität, damit das Gerät seine Kernaufgaben zuverlässig erfüllen kann. Die Trennqualität einer Schaltung wird durch viele Parameter beeinflusst. Vom Schaltungsdesign, beispielsweise dem Abstand der Trennstecken, bis hin zur Qualität der verwendeten Bauteile reicht die Spanne der Einflussfaktoren. Der Bedarf an Spannungsfestigkeit nimmt dabei zu, da die Anwender immer häufiger mit hohen, steilen Impulsen konfrontiert sind. Relevant sind Prüf- und maximal zulässige Arbeitsspannungen, sie liegen heute typisch bei 3 KV Prüfspannung und 300 V Arbeitsspannung.

Jedes Grad zählt
Relevant für die Auswahl von Signaltrennern ist auch eine geringe Eigenerwärmung und eine möglichst hohe, erlaubte Betriebstemperatur – für Schaltschrankbauer zählt hier buchstäblich jedes Grad. Selbst wenn der Temperaturbereich im Betrieb nicht voll ausgenutzt wird, wirkt sich eine möglichst hohe obere Temperaturgrenze positiv auf die Lebensdauer des Gerätes aus, weil Bauteile entsprechend ausgelegt sind. Standard ist heute der Betrieb bei bis zu 70°C Umgebungstemperatur. Die Anforderungen an die untere Temperaturgrenze sind dagegen keineswegs grenzenlos. Umgebungstemperaturen tiefer als – 20 °C treten in Schaltschränken praktisch nicht auf.
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Abmessungen und Stabilität
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Hutschienenmontage, Trennqualität bis 3 KV / 300 V (Prüf-/ Arbeitsspannung): Die Signaltrenner des SC-Systems von Pepperl+Fuchs sind besonders für Anwendungen im sicheren Bereich geeignet Foto: Pepperl + Fuchs

Hutschienenmontage, Trennqualität bis 3 KV / 300 V (Prüf-/ Arbeitsspannung): Die Signaltrenner des SC-Systems von Pepperl+Fuchs sind besonders für Anwendungen im sicheren Bereich geeignet
Foto: Pepperl + Fuchs

Seitens der Anbieter wird der Stellenwert von geeigneten Abmessungen sowie der mechanischen Eigenschaften von Signaltrennern oft unterschätzt. Eine Modulbreite bis hinunter zu 6 mm ist heutzutage möglich und wird von verschiedenen Unternehmen angeboten. Doch auch die Bauhöhe spielt eine große Rolle. Bei Austausch oder Erweiterung müssen neue Signaltrenner in das zur Verfügung stehende Schaltschrankraster passen, um genutzt werden zu können. Signaltrenner werden häufig mechanischen Belastungen ausgesetzt, so beim Einsatz in der Nähe von Kolbenmotoren oder Brecheranlagen, aus denen hohen Anforderungen an die mechanische Stabilität der Gehäuse resultieren. Pepperl+Fuchs führt daher mechanische Tests in einem eigenen, unabhängigen Prüflabor durch. Dabei werden Geräte mechanischen und klimatischen Belastungen ausgesetzt und dabei die Einhaltung der jeweiligen Spezifikation überwacht.

Orientierung an Standards aus dem Ex-Bereich
Häufig ist bei der Auswahl für Anwender entscheidend, ob der Hersteller bereits über Erfahrungen in der Entwicklung und Herstellung von Trennbarrieren für den Ex-Bereich verfügt. Denn gerade im Ex-Bereich ist eine gute und dauerhafte Trennqualität essentiell; die dort eingesetzten Produkte müssen anspruchsvollen Normen genügen sowie diverse externe Prüfungen bestehen. Diese Erfahrung fließt in die Konstruktion von Signaltrennern mit ein wodurch die Anwender extrem zuverlässig Produkte erhalten. Zudem verfügen die Hersteller von Produkten mit Ex-Zulassung über zertifizierte und auditierte Fertigungsstätten (DIN ISO 900X, PTB, UL, FM).

Dipl.-Ing. Andreas Grimsehl Produkt Marketing Manager Interface Technology Geschäftsbereich Prozessautomation

Pepperl + Fuchs

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