Trennbarrieren im explosionsgefährdeten Bereich sind Pflicht: Sie schützen vor einem zu hohen Energie-Eintrag ins Feld und stellen zudem eine galvanische Trennung bereit, die die Signale wirksam vor Störungen schützt. Im sicheren Bereich hingegen wird gelegentlich immer noch auf galvanische Trennungen verzichtet. Ein riskantes Unterfangen, da die Funktion von Feldgeräten und Leitsystemen letztlich nur so gut sein kann wie das Signal, das sie erhalten – und Signalleitungen sind zahlreichen Störquellen ausgesetzt. Hier bietet eine galvanische Trennung des Signalkreises zwischen Feld und Leitsystem mit verhältnismäßig geringem Aufwand einen wirksamen Schutz.

Die Auswirkungen von Betriebsstörungen können gravierend sein, wie die folgenden zwei Beispiele zeigen.
Beispiel Klärwerk: Bei der Einleitung des gereinigten Wassers in Fließgewässer werden wichtige Kennwerte online gemessen, um ökologische Schäden zu vermeiden. Werden Messgrößen wie pH-Wert, Sauerstoffgehalt oder Temperatur des eingeleiteten Wassers nicht korrekt übermittelt oder zwar korrekt an das Leitsystem gegeben, von dort aus aber aufgrund verfälschter Signalübertragung an Aktoren im Feld fehlerhafte Korrekturmaßnahmen eingeleitet, kann dies zu schwerwiegenden Folgen für Mensch und Natur führen.

Beispiel Kraftwerk: Bei der Rauchgas-Entschwefelung von Feuerungsanlagen gilt es, den Füllstand der Kalkmilchbehälter kontinuierlich zu überwachen, um einen Über- oder Trockenlauf zu verhindern. Beim Überlaufen des Tanks könnte unter ungünstigen Umständen die Kalkmilch das Grundwasser verschmutzen. Beim Trockenlauf würde Rauchgas durch den Kamin ungereinigt austreten und so die Umwelt schädigen. Daher ist eine genaue Messwert-Übertragung ebenso unabdingbar wie der zuverlässige Transfer von Steuerungssignalen an die Aktoren im Falle notwendiger Steuerungsmaßnahmen.

Gefahr für die Prozesssteuerung

Die Ursachen von Störungen prozesstechnischer Anlagen sind vielfältig. Weder vorherseh- noch beeinflussbar sind Störgrößen wie beispielsweise unkontrollierte Einleitungen ins Abwasser oder mechanische Schäden an Lagern von Förderbändern, Pumpen oder Motoren. Im Gegensatz dazu sind Mess- und Steuerungskreise gut kontrollierbar. Um die Wahrscheinlichkeit von Beeinträchtigungen oder gar eines Totalausfalls von Anlagen mit ihren immensen Kosten durch Produktionsausfall, Reparatur und Ersatz sowie Imageschäden so gering wie möglich zu halten, ist es daher zwingend notwendig, zumindest die vermeidbaren Risiken in Grenzen zu halten.

Im ‚SC-System‘ von Pepperl+Fuchs wird eine 3-Wege-Trennung ­zwischen Eingang, Ausgang und Versorgung verwendet, die einer Arbeitsspannung bis 300 V und einer Prüf­spannung bis 2,5 KV standhält.

© Pepperl+Fuchs

Während Sensoren und Aktoren sowie das Leitsystem in der Regel gut geschützt sind, ist es der Signalweg häufig nicht. Ursachen dafür liegen unter anderem in der Anlagentopologie: Charakteristisch für wasserwirtschaftliche Anlagen, Kraftwerke und die Stahl- sowie die zementverarbeitende Industrie sind große Ausdehnungen, so dass die Signalwege aufgrund ihrer Länge besonders störanfällig für Einkopplungen sind. Zudem befinden sich häufig viele leistungsstarke Komponenten in der Nähe der Signalleitungen, die Potenzialverschiebungen und damit Ausgleichströme in den entstehenden Erdschleifen bewirken können. Weitere Störquellen können drahtlose Übertragungseinheiten sein, durch die Störströme in Signalleitungen induziert werden. Werden Signale zwischen Feld und Steuerung auf direktem Weg übertragen, können diese Störgrößen zu Fehlsteuerungen und schlimmstenfalls zum Ausfall einer Anlage führen.

Feld- und Steuerungsseite entkoppeln

Signaltrenner schützen Signalkreise wirksam vor Störungen, die die Signalqualität zwischen Feld und Leitsystem beeinträchtigen. Die galvanische Trennung verhindert Mess- und Steuerungsfehler, die durch Ausgleichsströme in Erdschleifen entstehen können.

Signaltrenner verhindern wirksam Erdschleifen-bedingte Fehlsteuerungen.

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Diese Fehlerströme können die Kommunikation zwischen Feld- und Steuerungsebene so beeinflussen, dass eine sichere Prozessüberwachung und -steuerung nicht mehr gewährleistet ist. Für Ausgleichsströme in Erdschleifen gibt es verschiedene Ursachen: So können im Umfeld leistungsstarker Geräte unterschiedliche Potenziale in der Erde entstehen. Brummschleifen durch eingestrahlte elektromagnetische Störungen lassen sich ebenfalls durch galvanische Trennung verhindern.

Störsignale können aber auch direkt in den Signalpfad eingespeist werden, etwa dann, wenn bei netzgespeisten Geräten wie Pumpen, Motoren oder Lüftern ein Isolationsfehler auftritt. In diesem Fall können hohe Spannungen in den Messkreis gelangen und zu einer Überspannung führen. Im Fehlerfall besteht ohne Schutzvorrichtungen Lebensgefahr für das Bedienpersonal. Signaltrenner schützen Anlagen und Personen vor solchen leitungsgebundenen Gefahren.

Eine hohe Signalintegrität eines Feldstromkreises ist zudem nur dann gewährleistet, wenn dieser im Falle eines Kurzschlusses geschützt ist. Signaltrenner bieten neben der individuellen Versorgung des Feldgerätes einen Kurzschlussschutz für jeden einzelnen Stromkreis. Tritt ein Leitungsfehler auf, schaltet der Signaltrenner die Ausgänge auf der Steuerseite in den sicheren Zustand. Weitere Kanäle mit angeschlossenen Messgeräten werden somit durch den Ausfall nicht beeinflusst.

Splitting integriert

Messwerte werden häufig nicht nur an Steuerungen, sondern auch an Notabschalt- und Datenerfassungssysteme weitergeleitet. Für diesen Fall bieten sich Signaltrenner mit Splittingfunktion an. Sie stellen das gemessene Signal an parallelen, galvanisch getrennten Ausgängen bereit. Die Splittingfunktion sichert selbst im Fall einer Störung eines Signalkreises die zuverlässige Weiterleitung einer Information an andere Systeme. Diese Technik umgeht die Nachteile einer seriellen Verdrahtung, bei der nachfolgende Systeme im Fehlerfall keine oder nur fehlerhafte Informationen erhalten.

Wichtig zu wissen: Eine eventuell vorhandene galvanische Trennung in Leitsystemen kann Signaltrenner nicht ersetzen. Da es sich bei dieser galvanischen Trennung in der Regel um mehrkanalige Lösungen zwischen I/O-Karten und Prozessoreinheit handelt, kann sie einen Schutz der Eingangskarten gegen Störungen nicht bieten.

Praktische Ausführung ist entscheidend

Die zentrale Forderung der Kunden ist eine gute Trennqualität. Sie wird beeinflusst beispielsweise durch den Abstand der Trennstecken oder die Qualität der verwendeten Bauteile. Der Bedarf an Spannungsfestigkeit nimmt dabei zu, da die Anwender immer häufiger mit hohen, steilen Impulsen konfrontiert sind.

Wichtig sind zudem eine geringe ­Eigenerwärmung und eine möglichst hohe, erlaubte Betriebstemperatur. 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.

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 die Bauhöhe spielt ebenfalls eine große Rolle, denn 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, etwa beim Einsatz in der Nähe von Kolbenmotoren oder Brecheranlagen. Tests in Prüflaboren, bei denen die Geräte mechanischen und klimatischen Belastungen ausgesetzt werden und so die Einhaltung der jeweiligen Spezifikation überwacht wird, sind für praxisgerechte Signaltrenner unerlässlich.

Autor: Andreas Grimsehl ist Produkt Marketing Manager Interface Technology bei Pepperl+Fuchs in Mannheim.