Betreiber von SPS-Anlagen entdecken immer wieder Störungen in Ihrem System. Oft kann lokalisiert werden, was nicht funktioniert. Wesentlich schwieriger gestaltet sich dann zumeist jedoch die Frage nach dem "Warum"...
Sichere Trennung für die analoge E/A-Peripherie von SPS-Anlagen
Obgleich digitale BUS-Systeme heute omnipräsent sind, spielt die analoge Meßsignalübertragung weiterhin eine ganz zentrale Rolle - die exakte Übermittlung dieser Meßwerte an die Leitstände und Steuerungen zur Weiterverarbeitung ist eine essentielle Aufgabe der Meß-, Regelungs- und Fernwirktechnik. Über sogenannte Normsignale werden die Zustandsgrößen dazu abgebildet; verwendet wird das 0(4) ... 20 mA Strom- bzw. das 0 ... 10 V Spannungssignal. Die Sicherheit der Anlagen hängt von der genauen und störungsfreien Signalübertragung entscheidend ab.
Potentielle Störeinflüsse
Dem stehen vielfältige Störeinflüsse aus der rauhen Industrieumgebung entgegen: Kapazitive oder induktive Einkopplungen sind mögliche Quellen für hochfrequente Störsignale, Erdpotentialdifferenzen führen zu Potentialverschleppungen und zu Verfälschungen von Meßwerten. Schalthandlungen, Motorschütze oder Blitzeinschläge können transiente Überspannungen von mehreren Tausend Volt verursachen, durch die nachgeschaltete Meßeinrichtungen beeinflußt oder sogar zerstört werden.
Zuverlässige Lösungen
Eine der wichtigsten Anforderungen für genaue Meßdatenerfassung, insbesondere über große Entfernungen, ist deshalb die Drei-Port-Trennung, also die galvanische Trennung zwischen Eingang, Ausgang und der Versorgungsspannung.
Damit ist jeglicher Beeinflussung - auch aus dem Versorgungsnetz - vorgebeugt und die Anlagensicherheit gegeben. Mit dem von Knick neuentwickelten aktiven 3-Port-Trennverstärker VariTrans® A 20000, der für die Signaltrennung an Steuerungseingängen optimiert ist, beseitigt Knick eine wesentliche Quelle für Signalverfälschungen sowie daraus resultierende Anlagenstörungen und ermöglicht bei der Beschaltung von Steuerungseingängen eine Sichere Trennung gemäß DIN EN 61140.
Meßfehler durch galvanische Kopplung
Der direkte Anschluß der Meßsignale an die SPS wird als galvanische Kopplung bezeichnet; hier unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Arten: der galvanischen Kopplung zwischen Betriebsstromkreisen untereinander und der zwischen Betriebsstromkreisen und Erdstromkreisen. Probleme entstehen, wenn zwischen der Bezugsmasse des Sensors und dem Bezugspunkt des Meßeingangs eine Spannung (Gleichtaktspannung) vorhanden ist. Ursachen hierfür können beispielsweise Potentialanhebungen von Masse- bzw. Erdungspunkten oder Potentialdifferenzen räumlich auseinander liegender Masse- und Erdklemmen sein.
Ursache und Wirkung
Beim Einsatz von unsymmetrischen Meßeingängen verursachen diese Gleichtaktstörungen Meßfehler, da die Meß- von der Gleichtaktspannung nicht unterschieden werden können. Die Aufgabe, die Meßspannung unabhängig von der Gleichtaktspannung zu erfassen, wird oft durch symmetrische Eingänge (Differenzeingänge) gelöst. Bei entsprechender Schaltungsauslegung erzeugt die Störquelle eine reine Gleichtaktausteuerung - das Ausgangssignal entspricht weitestgehend dem verstärktem Sensorsignal.
Konstruktive Aspekte
Bei höheren Frequenzen geht die Gleichtaktunterdrückung des Differenzeingangs allerdings zurück; schnelle Gleichtaktstörungen verfälschen damit das Sensorsignal.
Da die zulässige Gleichtaktspannung meist auf wenige Volt begrenzt ist, gibt es in der Praxis ein weiteres Problem - wird die zulässige Spannung überschritten, kommt es zu weiteren Meßfehlern.
Der Einfluß der Gleichtaktspannung kann durch die galvanische Trennung verhindert werden; die Trennstrecke wird aber mit der Gleichtaktspannung (Isolationsspannung, Arbeitsspannung) belastet. Sicherheit und Wirksamkeit der Potentialtrennung stehen und fallen mit der konstruktiven Auslegung.
Potentialtrennung - Sicherheit und Normung:
DIN EN 61140
Die DIN EN 61140 (VDE 0140, Teil 1) beschreibt Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag und legt damit Sicherheitsanforderung für Anlagen und Betriebsmittel fest. Sichere Trennung bezeichnet ein Isolationssystem, das durch Basisschutz und zusätzlichen Schutz oder durch einen gleichwertigen Isolationsaufbau gekennzeichnet ist.
DIN EN 61010-1
Die Realisierung des besonders hohen Sicherheitsniveaus "Sichere Trennung" ist durch konstruktive Maßnahmen und durch die Isolationseigenschaften der verwendeten Materialien sicherzustellen. Die entsprechenden Anforderungen sind in der DIN EN 61010-1 "Sicherheitsbestimmungen für elektrische Meß-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte" formuliert worden. Eine wichtige Kenngröße ist die (Langzeit-) Standfestigkeit der Isolierung. Sie wird durch die Angabe der Arbeitsspannung beschrieben; bis zu dieser Spannung ist die "Sichere Trennung" gewährleistet. Dabei ist zu beachten, daß die zulässige Arbeitsspannung auch durch äußere Gegebenheiten, insbesondere den Verschmutzungsgrad und die Überspannungskategorie (Höhe der überlagerten Impulsspannungen) bestimmt wird. Überlagerte Impulsspannungen treten tagtäglich in der MSR-Anlage auf; sie werden z. B. von Stromrichtern verursacht, die durch Stromübergang von einem Thyristor zum nächsten Spannungsspitzen erzeugen.
Die DIN EN 61010-1 trägt auch den vermehrt auftretenden Transienten Rechnung und fordert die Einhaltung hoher Schutzschwellen. Aussagen zur Sicheren Trennung müssen daher immer Angaben zur zulässigen Arbeitsspannung sowie zu Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie beinhalten.
DIN EN 61131
Mit der Verabschiedung der Normenreihe DIN EN 61131 ist eine wichtige Grundnorm für speicherprogrammierbare Steuerungen entstanden. Im Vordergrund steht die Kompatibilität der Systeme/Peripheriegeräte untereinander. Der Teil 2 dieser Norm spezifiziert die elektrischen, mechanischen und funktionellen Anforderungen für speicherprogrammierbare Steuerungen und deren zugehörige Peripheriegeräte. Weiterhin werden Prüfmethoden und Verfahrensweisen festgelegt, die für die Nachprüfung auf Übereinstimmung anzuwenden sind. Zu den mechanischen Anforderungen zählt insbesondere auch der Schutz vor elektrischem Schlag und damit Definitionen zu Luft- und Kriechstrecken. Die Anforderungen der DIN EN 61131-2 müssen daher bei der Konstruktion der Potentialtrennung entsprechend berücksichtigt werden.
Die Normenkonformität der Potentialtrennung ist damit der ganz entscheidende Konstruktionsparameter und die Grundvoraussetzung für einen sicheren und störungsfreien Anlagenbetrieb.
Integrierte Potentialtrennung von SPS-Systemen
Auch eine SPS mit potentialgetrennten Ein-/Ausgängen bietet im Hinblick auf die Anforderungen der galvanischen Trennung nicht das Optimum. Bei den potentialgetrennten Baugruppen besteht zwar keine galvanische Verbindung zwischen den Meßkreisen und der Ortserde, die Meßkreise liegen aber meist auf gleichem Bezugspotential. Auf die sogenannte Einerwurzelung - die galvanische Trennung der Meßkreise untereinander - wird aus Kosten- und Platzgründen oftmals verzichtet. Werden Meßsignale aber direkt an SPS-Eingänge mit gemeinsamem Bezugspotential verkoppelt, können daraus schwer nachzuvollziehende Meßfehler resultieren - den Berechnungen der SPS liegt dann ein falsches Prozeßabbild zugrunde. Solche scheinbar kostengünstigen Lösungen verhindern letztlich einen reibungslosen Anlagenbetrieb und verursachen einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand bei der Fehlersuche.
Schließlich ist es eine kaum zu lösende konstruktive Aufgabe, eine hochwertige und leistungsfähige galvanische Trennung in einem kompakten Gehäuse mit einer Vielzahl von Ein- bzw. Ausgängen unterzubringen. Bei den meßtechnischen Eigenschaften und der Zuverlässigkeit muß ein Hersteller daher fast zwangsläufig Kompromisse eingehen. In der Regel weisen diese Baugruppen keine Sichere Trennung auf; Angaben zur Bemessungsspannung (Arbeitsspannung), zu Verschmutzungsgrad und Überspannungskategorie fehlen meist. Eine qualitative Einschätzung der Potentialtrennung ist daher in der Regel nicht möglich.
Der Schritt nach vorn
Eine nachhaltige Lösung des Problems der Potentialtrennung wird nur durch den Einsatz spezieller Trennverstärkern garantiert. Unverzichtbares Merkmal dieser Geräte ist die normgerechte Konstruktion anhand der anerkannten Regeln der Technik. Dadurch werden Meßfehler vermieden - Sicherheit und Zuverlässigkeit einer MSR-Anlage verbessern sich grundlegend.
Und die Flexibilität wird gesteigert - neben der sicheren Potentialtrennung übernehmen die Trennverstärker auch die Signalanpassung. Zudem kann auf der Steuerungsseite der Einsatz einer einfacheren Baugruppe (ohne Potentialtrennung) erwogen werden.
Speziell für diesen Zweck hat Knick für SPS-Anwendungen ausgelegte Trennverstärker entwickelt.
VariTrans® A 20000
Der neuentwickelte SPS-Trennverstärker von Knick trennt und überträgt Normsignale 0(4) ... 20 mA und 0 ... 10 V sicher und bietet kalibrierte Meßbereichsumschaltung ohne jedes aufwendige Nachjustieren.
Trotz seines nur 6,1 mm schmalen Anreihgehäuses erfüllt der neue VariTrans® A 20000 die Anforderungen für "Sichere Trennung" gemäß DIN EN 61140 und DIN EN 61010-1. Die Konstruktion der Potentialtrennung berücksichtigt auch Forderungen der DIN EN 61131-2. Die Geräte sind mit Spezialtransformatoren ausgerüstet, deren Isolationssysteme Sichere Trennung für Arbeitsspannungen bei Überspannungskategorie II und Verschmutzungsgrad 2 bis zu 300 V AC/DC zwischen Eingang und Ausgang/Hilfsenergie ermöglichen. Sehr kleine Streukapazitäten garantieren außerdem, daß auch hohe transiente Gleichtaktstörungen sicher abgetrennt werden und nicht zu Anlagenstörungen führen können. Zugleich gewährleisten Geräteaufbau und Schaltungstechnik hervorragende Übertragungseigenschaften, die sich unter anderem in Nullpunktkonstanz, Linearität und Langzeitkonstanz widerspiegeln.
Universelle Einsetzbarkeit
Die 3-Port-Trennung ermöglicht einen universellen Einsatz. Eingangs- und Ausgangsstromkreis können unter Berücksichtigung der zulässigen Arbeitsspannungen auf beliebige Potentiale gelegt werden. Die Unterscheidung zwischen Eingangs- und Ausgangstrennverstärker ist beim VariTrans® A 20000 nicht erforderlich, weil alle 3 Stromkreise voneinander galvanisch getrennt sind.
Kompaktes Gehäuse und minimale Eigenerwärmung
Eine signifikante Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer erreicht Knick durch die Entwicklung von Trennverstärkern mit extrem geringer Leistungsaufnahme und Eigenerwärmung. Zuverlässigkeit und Lebensdauer der elektronischen Komponenten werden dadurch wesentlich erhöht - so beträgt beim neuen SPS-Trenner VariTrans® A 20000 die MTBF (Mean Time Between Failures) 440 Jahre.
Die Vorteile des extrem kompakten Gehäuses lassen sich hervorragend nutzen - ohne jeden Zwischenraum können bis zu 163 Geräte pro Meter direkt nebeneinander auf eine Hutschiene montiert werden. Den Anschluß der Hilfsenergieversorgung erleichtert ein steckbarer (bei Bedarf auch teilbarer) Querverbindungskamm für bis zu 41 Anschlüsse.
Dynamisches Verhalten
Trennverstärker werden zwar überwiegend bei Gleichstromsignalen eingesetzt, auf eine einwandfreie Übertragung schneller Signaländerungen kann aber nicht verzichtet werden. Das exzellente Großsignalverhalten stellt eine sauberes Einlaufen in die Übersteuerungsgrenze sicher. Totzeiten, Hysterese, Signalumkehr oder Latch-up-Effekte werden vermieden - was für die Weiterverarbeitung in der SPS unerläßlich ist.
VariTrans® P 27000
Flexibilität für besondere Fälle - für alle Spezialanwendungen im SPS-Bereich steht der Universaltrenner VariTrans‚ P 27000 aus dem Knick-Programm zur Verfügung.
Der Universaltrenner setzt beliebige Eingangsspannungen oder -ströme in Normsignale um, die von den SPS-Eingangsbaugruppen verarbeitet werden können. Sowohl unipolare Meßsignale (z. B. 0 bis 200 V) wie auch bipolare Meßsignale (z. B. -60 bis +60 mV) können für die SPS-Anwendung in alle gebräuchlichen Normsignale (z. B. 4 bis 20 mA oder +/- 10 V) gewandelt werden.
Das "Multitalent" unter den Trennern
480 Meßbereiche stehen kalibriert zur Verfügung, d. h. ohne mühsames Abgleichen. Über DIP-Schalter werden beim VariTrans‚ P 27000 die Eingangs- und Ausgangsbereiche, Nullpunktverschiebung, bipolare oder unipolare Übertragung und weitere Eigenschaften eingestellt. Der Verstärkungsfehler liegt bei nur 0,08 % vom Meßwert.
Für Sonderanwendungen läßt sich der kalibrierte Betrieb abschalten und ein Feinabgleich von Nullpunkt und Verstärkung über frontseitige Trimmpotentiometer durchführen.
Weitbereichsnetzteil 20 ... 253 V AC/DC
Das integrierte 3-Port-Schaltnetzteil VariPower®, das lückenlos alle international gebräuchlichen Netzspannungen verarbeitet, liefert einen weiteren entscheidenden Beitrag zum einfachen und sicheren Anlagenbetrieb. Dieses Schaltnetzteil vermeidet nicht nur Typenvielfalt, es garantiert auch die volle Funktion des Trenners bei instabilen Versorgungsnetzen.
Kompakte Zuverlässigkeit
Das nur 12,5 mm schmale Anreihgehäuse mit steckbaren Schraubklemmen ermöglicht eine einfache und schnelle Montage oder die Vorverdrahtung des Schaltschranks. Für extrem hohe mechanische Beanspruchungen stehen zudem Gehäuse mit festen Schraubklemmen zur Verfügung. Das leicht zu öffnende Gehäuse bietet neben der einfachen Konfiguration der Ein- und Ausgangsbereiche guten Schutz vor Berührung und unbeabsichtigter Verstellung.
Die extrem geringe Leistungsaufnahme und die damit verbundene minimale Eigenerwärmung bewirken eine signifikante Erhöhung der Zuverlässigkeit.
Die Konsequenz: eine 5-jährige Garantie.
SPS-Trenner von Knick für optimale Anlagensicherheit
Bei der Anschaltung analoger Normsignale an die Steuerungseingänge sorgen die aktiven Trenner von Knick für höchste Zuverlässigkeit. Sie sind so ausgelegt, daß die sichere Gerätefunktion auch in Grenzbereichen und bei hohen Überlasten gewährleistet ist. Ausgleichsströme, Gleichtaktstörungen und gefährliche Spannungen werden eliminiert; die Anlage arbeitet zuverlässiger und sicherer.
