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Mit Analogwerten zur sicheren Befeuerung

01  Ob Verhältnis-, Druck- oder Temperaturüberwachung: Die Analogwertverarbeitung spielt ihre Stärken  in zahlreichen Anwendungsbereichen der Feuerungstechnik aus

01  Ob Verhältnis-, Druck- oder Temperaturüberwachung: Die Analogwertverarbeitung spielt ihre Stärken in zahlreichen Anwendungsbereichen der Feuerungstechnik aus

Die Verarbeitung analoger Werte ist überall dort unerlässlich, wo die Überwachung von Parametern, wie Temperatur, Druck oder Strömung, essenziell für die Sicherheit von Mensch, Maschine und Prozess ist – wie bei der Feuerungstechnik. Nur in wenigen anderen Industriebereichen sind die Sicherheitsanforderungen ähnlich hoch und der Einsatz von kundenorientierten und zuverlässigen Lösungen so bedeutend. Hierfür hat Wieland Electric eine neue Generation analoger Safety-Module konzipiert.

02  Mit den drei neuen Safety-Modulen der Sicherheitssteuerung Samos Pro Compact können ab sofort auch Analogwerte sicher verarbeitet werden

02  Mit den drei neuen Safety-Modulen der Sicherheitssteuerung Samos Pro Compact können ab sofort auch Analogwerte sicher verarbeitet werden

03  Die lizenzfreie Programmiersoftware Samos Plan 6 ermöglicht die intuitive und flexible Parametrierung für analoge Sensoren in der Feuerungstechnik

03  Die lizenzfreie Programmiersoftware Samos Plan 6 ermöglicht die intuitive und flexible Parametrierung für analoge Sensoren in der Feuerungstechnik

Bei der Herstellung von Stahl, Keramik, Porzellan, Glas oder auch Kunststoff geht es sprichwörtlich „heiß her“: Ob Schmelzen, Sintern, Trocknen, Erwärmen oder Verdampfen – je nach Verfahren und Produktionsbereich herrschen in industriellen Thermoprozessanlagen zwischen 100 °C und 1 500 °C (Bild 1). Entsprechend hoch sind ­deshalb die Anforderungen an die Sicherheit von Indus-trieöfen. Dabei stellen nicht nur die hohen Temperaturen ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar. Auch weitere Größen wie der Ofendruck oder das Verhältnis von Luft- zum Brennstoffmassenstrom müssen kontinuierlich überwacht werden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Hier sind möglichst einfache und normgerechte Lösungen gefragt.

Einen entscheidenden Beitrag zur Funktionalen Sicherheit leisten Sicherheitssteuerungen, mit denen auch komplizierte Sicherheitsfunktionen einfach umgesetzt werden sollten. Ein Beispiel dafür ist die Samos Pro Compact von Wieland Electric [1], die durch ihren dezentralen Ansatz mit jeder Art von Leit- und Visualisierungssystem bzw. mit jedem Protokoll kommunizieren kann. Die lizenzfreie, Feldbus-neutrale Steuerung ermöglicht eine einfache Programmierung auch komplizierter Prozesse. Sie wurde kürzlich um neue Safety Module (Bild 2) erweitert, mit denen jetzt auch analoge Werte sicher erkannt und weiterverarbeitet werden.

Analogwerte sicher verarbeiten

Die neuen Analogmodule SP-SAC4, SP-SAR4 und SP-SACR22 unterstützen Sensoren mit (0/4 mA … 20 mA)-Schnittstelle sowie temperaturabhängige Widerstände wie Pt/Ni-Sensoren und liefern ihre analogen Daten an die Sicherheitssteuerung. Die Werte lassen sich mit den sicheren Funktionsbausteinen „Limit“, „Range“, „Relation“ und „Difference“ in Anwenderprogrammen, die mit der lizenzfreien Programmiersoftware Samos Plan 6 (Bild 3) erstellt wurden, überwachen. Die leistungsfähigen Funktionsbausteine ermöglichen vergleichende bzw. arithmetische Verknüpfungen der analogen Daten, eine Dimensionierung und Skalierung der gemessenen Stromwerte sowie eine Darstellung und ­Visualisierung über die Programmiersoftware.

Insgesamt können bis zu vier Analog-Eingänge in 2/3/4-Drahttechnik angeschlossen werden. Eine schnelle optische Diagnose und Fehleranzeige ist direkt an den Modulen möglich. Innerhalb der Programmiersoftware Samos Plan 6 erfolgt schließlich die Übertragung aller Rohwerte sowie eine ständige Ist-Analyse. Die analogen Ist-Werte lassen sich zudem einfach an übergeordnete Steuerungen und HMI-Panels übertragen. Da die Sicherheitssteuerung Samos Pro Compact über USB- und ETH-Schnittstellen verfügt, ist der Zugriff auf das System jederzeit möglich. Drei industrielle Ethernetprotokolle Modbus TCP, Ethernet/IP und Profinet IO sind ab Werk enthalten – weitere zusätzliche Gateways für Feldbusse machen bei Bedarf die Einbindung in verschiedenste industrielle Netzwerke denkbar einfach. Das sorgt für mehr Transparenz beim Anwender, da auch die analogen Werte problemlos an andere Steuerungssysteme übertragen werden können. Bis zu drei unterschiedliche Feldbussysteme lassen sich parallel von einer Steuerung aus betreiben.

Für den sicheren Betrieb des Systems verfügen alle Ein- und Ausgänge über eindeutig zugeordnete optische Anzeigen, die den Betriebsstatus jederzeit klar darstellen. Die richtlinienkonforme Dokumentation der Anlage sichert die Programmiersoftware Samos Plan 6 mit einer Offline-Simulation, einem maßgeschneiderten Verifizierungsbericht sowie einer Oszilloskop-Funktion für die Validierung jeder Sicherheitsfunktion. Selbstverständlich erfüllen die Module alle Sicherheitsnormen, unter anderem SIL CL 3 gemäß DIN EN 62061 [2] und PL e/Kategorie 4 gemäß DIN EN ISO 13849-1 [3] sowie die Zulassung nach UL (FS). Für den Einsatz in Feuerungsanlagen, wie Thermoprozessanlagen und Dampfkesselsysteme, ist die komplette Reihe der Samos-Pro-Compact-Familie zudem nach DIN EN 746-2 [4] sowie DIN EN 50156-1 [5] zugelassen.

Vorgefertigte Funktionsbausteine

Auf die Frage, wie sich analoge Sensoren in der Feuerungstechnik einfach parametrieren lassen, antwortet Wieland Electric mit intelligenten Features innerhalb der Programmiersoftware Samos Plan 6. So kann über die wählbare Sensor-Dimensionierung übersichtlich in der gewünschten physikalischen Einheit gearbeitet werden. Zudem sind viele Funktionsbausteine gemäß Produktnormen (DIN EN 746-2) bereits vorgefertigt und können kundenspezifisch angepasst werden. Es stehen Bausteine für Druck, Temperatur und Strömungen für viele Anwendungen zur Auswahl.

Ein Beispiel ist der Funktionsblock „Druck Analog Minimum“, welcher in der Feuerungsbibliothek voreingestellt ist und die Überwachung auf Unterschreitung eines analogen Drucks oder Differenzdrucks ermöglicht. Insgesamt sind bis zu vier Grenzwerte einstellbar, die sich physikalisch dimensionieren und skalieren lassen. Zudem können Hysteresen relativ und absolut konfiguriert und zeitbegrenzte Mute- sowie Bypassfunktionen gewählt werden. Ähnliches gilt für den Funk­tionsblock „Ratio Analog“, mit dem sich Grenzverhältnisse auf Unterschreitung, Überschreitung, innerhalb oder außerhalb eines Fensters überwachen lassen.

Anwendungsbereiche in Feuerungsanlagen

Zu den konkreten Anwendungsfeldern der Analogwertverarbeitung zählt unter anderem die Luft-Gas-Verhältnisüberwachung. Sie ist ein essenzieller Faktor für die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von industriellen Feuerungsanlagen: Während ein zu starker Luftüberschuss den Gasverbrauch erhöht, stellt ein Luftmangel wiederum eine Gefahrenquelle dar. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass der Luftmassenstrom zum Brennstoffmassenstrom stets in einem Verhältnis steht, das sicher betrieben werden kann und im gesamten Bereich eine funktional sichere wie prozesstechnisch stabile Verbrennung an jedem einzelnen Brenner gewährleistet.

Hier kommt der erwähnte Funktionsbaustein „Verhältnisüberwachung“ zum Tragen, welcher die Überwachung der Brennstoffverhältnisse bei Nieder- und Hochtemperaturanlagen, Dampfkesseln und Thermalölerhitzern sowie an allgemeinen Verbrennungs- und Trocknungsanlagen in diversen chemischen Prozessen unterstützt. Die Sicherheitsfunktion zur Brennstoffmengenmessung und Verhältnisüberwachung ist bis SIL3/PL e realisierbar. Dabei kann jeder Luft- beziehungsweise Brennstroffmengen-Messumformer sowie Differenzdruckwächter in 2/3/4-Drahttechnik über (0/4 mA … 20 mA) ausgewertet werden. Die Skalierung und Dimensionierung wiederum ist mittels Absolut- und Realwerten möglich.

Ein weiteres Anwendungsfeld der Safety Module ist der Ofendruck. Der sichere Betrieb von Feuerungsanlagen ist nur dann gegeben, wenn der minimale und maximale Druck im Brennraum sowie die minimal zulässige Abluftströmung bzw. Kaminzugführung sich stets innerhalb sicherer Grenzen bewegen. Da beide physikalisch eng bei einander liegen, sind diese stets anwendungsspezifisch zu bewerten. Die bis SIL3/PL e umsetzbare Sicherheitsfunktion „Ofendruckmessung“ ermöglicht sowohl die Überwachung von Kamin- und Saugzügen als auch von Differenzdruckmessungen an Kesseln und Thermalölerhitzern. Ofendruck- und Herdraumdrucksysteme an Schmelzöfen und Hochöfen können ebenfalls kontrolliert werden. Ein externer potenzialfreier Messumformer ist nicht notwendig.

Fazit

Der Einsatz von analogen Safety-Modulen beinhaltet ein vielfältiges Potenzial, um die hohen Sicherheitsanforderungen in prozesstechnischen Applikationen effizient und einfach erfüllen zu können. Insbesondere bei Feuerungsapplikationen profitieren Anwender von der speziellen Baustein-­Bibliothek der Sicherheitssteuerung Samos Pro Compact von Wieland Electric, die eine Auswertung sowohl digitaler als auch analoger Signale direkt mittels TÜV-geprüften Funktionsbausteinen ermöglicht. Darüber hinaus eignet sich die Analogwertverarbeitung aber auch für weitere Bereiche im Maschinenbau wie Förderanlagen, Pressen oder CNC-Maschinen. (no)


Literatur:
[1] Wieland Electric GmbH, Bamberg: www.wieland-electric.de
[2] DIN EN 62061 (VDE 0113-50):2016-05 Sicherheit von Maschinen – Funktionale Sicherheit sicherheits­bezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG
[3] DIN EN ISO 13849-1:2016-06 Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen – Teil 1: Allgemeine Gestaltungsleitsätze. Berlin: Beuth
[4] DIN EN 746-2:2011-02 Industrielle Thermoprozessanlagen – Teil 2: Sicherheitsanforderungen an Feuerungen und Brennstoffführungssysteme. Berlin: Beuth
[5] DIN EN 50156-1 (VDE 0116-1):2016-03 Elektrische Ausrüstung von Feuerungsanlagen und zugehörige Einrichtungen – Teil 1: Bestimmungen für die Anwendungsplanung und Errichtung. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG


Markus Kick ist Business Development Manager Feuerungstechnik bei der Wieland Electric GmbH in Bamberg.

Autor:
Markus Kick ist Business Development Manager Feuerungstechnik bei der Wieland Electric GmbH in Bamberg.