Achema Pepperl+Fuchs GmbH

Bild: Pepperl+Fuchs; iStock, chameleonseye

Zuverlässige Relais für den Brandschutz Damit brennt sicher nichts an

07.05.2018

Sicheres Ein- und Ausschalten von Geräten ist im Brandfall unabdingbar, um Schlimmeres zu vermeiden. Hierfür spielen Sicherheitsrelais zwischen Steuerung und Feldgeräten eine zentrale Rolle: Sobald die Sicherheitsfunktion angefordert wird, müssen sie einen Schaltvorgang absolut zuverlässig übertragen. Relais mit zweifacher Redundanz der Elementarrelais, Diagnosefunk-
tion und Leitungsfehlerüberwachung auch des Feldkreises bieten die nötige Zuverlässigkeit – 
bei minimalem Aufwand für Proof Tests.

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Idealerweise ist der vorbeugende Brandschutz in einer Anlage so wirksam, dass Brände gar nicht erst entstehen können. Kommt es dennoch zu einem solchen Notfall, muss man im Rahmen des abwehrenden Brandschutzes wirksame Brandbekämpfungsmaßnahmen ergreifen sowie alle brandfördernden Prozesse unterbinden. Je nach Anlage ist es nötig, Löschmittel zuzuführen, Kühlungen zu aktivieren, Materialtransporte und Zufuhr von Luft zu stoppen sowie Geräte energiefrei zu schalten. Auch akustische und optische Warnanlagen sind erforderlich, da bei einem Brand auch Leben und Gesundheit von Personen gefährdet sind.

Zwangsgeführte Kontakte sind problematisch

Dafür, dass Anlagenkomponenten abgeschaltet und Schutzeinrichtungen eingeschaltet werden, sorgen Sicherheitsrelais. Feldgeräte können sich hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften sehr unterschiedlich verhalten. Ventile stellen induktive, akustische Warngeräte in der Regel kapazitive Lasten dar, zudem können Ströme und Spannungen je nach angeschlossener Last erheblich variieren. Sicherheitsrelais sind eine zuverlässige Verbindung zwischen Steuerung und Feldgeräten, indem sie die Steuerung von der Last galvanisch trennen. Das Konzept zwangsgeführter Kontakte ermöglicht mithilfe eines Meldekontakts eine unmittelbare Rückmeldung über die Stellung des Schaltkontakts. Fällt allerdings ein einzelner Kontakt eines zwangsgeführten Relais aus, ist dies zwar erkennbar, aber der Aktor lässt sich nicht aus- oder anschalten. Auswertekanäle in der Steuerung, welche die Lage des Schaltkontaktes weitergeben, müssen gesondert verdrahtet werden.

Problematisch sind zwangsgeführte Kontakte vor allem bei ETS-Anwendungen (Energized-to-safe): Die Bewegung des Kontakts bedeutet nicht unbedingt, dass auch ein Strom fließt. Während im Maschinenbau häufige Schaltvorgänge für die nötige Kontakthygiene sorgen, kann die Sicherheitsschaltung in der Verfahrenstechnik oft über Jahre ungenutzt bleiben und sich dabei unmerklich verändern. Verschmutzte oder korrodierte Kontakte können im Extremfall einen so hohen Widerstand erzeugen, dass der Zugriff auf die Sicherheitsfunktion nicht mehr gewährleistet ist. In diesem Fall entsteht zudem die gefährliche Fehlinformation, dass eine leitende Verbindung hergestellt sei.

Alternative: 1oo3-Architektur mit Diagnose

Bei den Sicherheitsrelais der Serie KFD2-RSH von Pepperl+Fuchs entfallen solche Nachteile. Ihren Kern bildet die 1oo3-Architektur mit der doppelt redundanten Ausführung der Schaltkontakte. Für DTS-Anwendungen (De-energized-to-safe) sind drei Kontakte in Serie, für ETS-Signalkreise zwei Gruppen von je drei parallelen Kontakten angeordnet. Selbst wenn zwei Kontakte einer Gruppe ausfallen, ist der Zugriff auf die Sicherheitsfunktion weiter gewährleistet.

Kontrolle feldseitiger Leitungen

Die integrierte Diagnosefunktion schaltet bei jedem Schaltvorgang die drei Kontakte zeitverzögert nacheinander. Bei ETS-Anwendungen werden bei drei aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen zyklisch jeweils alle drei Relais der beiden Kontaktgruppen einmal zuerst geschlossen. Während der Verzögerungszeit prüft das Gerät, ob dieser Kontakt den Stromkreis schließt. Defekte Kontakte werden dabei erkannt. Die Diagnose beim DTS-Gerät erfolgt nicht beim Abschalten, sondern beim Wiedereinschaltvorgang: Zunächst werden zwei Relaiskontakte gleichzeitig, zeitverzögert dann auch der dritte Kontakt geschlossen. Bevor der dritte Kontakt schließt, darf kein Strom fließen. Sonst ist dieses Relais defekt, da es den Stromkreis nicht mehr trennt.

Bei jedem Schaltzyklus wird ein anderes Relais geprüft. Nach dreimaligem Schalten ist der Relaisbaustein ohne zusätzlichen Aufwand vollständig getestet. Bei herkömmlichen Lösungen ist eine feldseitige Leitungsfehlerüberwachung bis zum Feldgerät über die galvanische Trennung des Moduls hinweg nicht möglich. Der spezifische Leitungsfehler lässt sich nur mit zusätzlicher Verdrahtung eines Fehlermeldeausgangs am Modul erkennen. Die KFD2-RSH-Sicherheitsrelais bieten dagegen umfassende Leitungsfehlertransparenz (LFT). Kurzschlüsse sowie Leitungsbrüche werden auch feldseitig erkannt und einem spezifischen Signalkreis zugeordnet. Dafür ist keine zusätzliche Verdrahtung nötig.

Testpulsimmunität für störungsfreien Betrieb

Digitale Ausgangskarten (DO-Karten) von Steuerungen stellen in der Regel integrierte Diagnosefunktionen zur Verfügung. Neben einer dynamischen Diagnosefunktion, den sogenannten Testpulsen, wird der Feldkreis oft auch statisch überprüft. Dazu werden die eingeprägten Prüfströme im ein- und ausgeschalteten Zustand von der DO-Karte gemessen und ausgewertet. Die Diagnoseroutinen von Sicherheitssteuerungen dürfen aber unter keinen Umständen zu einer Fehlfunktion führen. Die Kompatibilität von Sicherheitsrelais und Steuerung ist deshalb unabdingbar. Der Eingang der KFD2-RSH-Sicherheitsrelais filtert wirksam die von der DO-Karte kommenden Testpulse. Ein unbeabsichtigtes Schalten des Feldgeräts durch eine Diagnosemaßnahme oder die unbeabsichtigte Anzeige eines Leitungsfehlers in der Steuerung wird verhindert. Der von der DO-Karte kommende Prüfstrom kann fließen: Im Ein-Zustand wird eine Minimallast bereitgestellt; im Aus-Zustand ein Prüfstrom zugelassen. Dabei wird die Schaltfunktion nicht beeinträchtigt. Eine integrierte Eingangsstrombegrenzung verhindert die übermäßige Belastung der DO-Karte durch Stromspitzen, indem der zum Schalten notwendige Eingangsstrom minimiert wird.

Sicherheitsrelais KFD2-RSH

Die einkanaligen Geräte sind für DTS- und ETS-Anwendungen verfügbar. Sie sind nach ATEX-Richtlinie / IECEx Zone 2 sowie UL zugelassen. Alle Geräte sind für sicherheitsgerichtetes An- und Abschalten bei Anwendungen bis IEC61508 SIL 3, die DTS-Geräte darüber hinaus für Anwendungen bis EN ISO 13849 PL e geeignet. Die Eingangskreise sind für alle Geräte des gesamten Portfolios identisch. Ist ein Relaisbaustein an einer DO-Karte erfolgreich getestet, sind auch alle anderen Varianten des Sicherheitsrelais kompatibel.

Pepperl+Fuchs auf der Achema

Besuchen Sie Pepperl+Fuchs auf der Achema 2018: Halle 11.1, Stand A41

Bildergalerie

  • Modul für ETS: Sicheres Einschalten auf Basis einer 1oo3-Architektur

    Bild: Pepperl+Fuchs

  • DTS-Module mit auswechselbaren Sicherungen an der Frontseite, um Kontaktverschweißungen vorzubeugen

    Bild: Pepperl+Fuchs

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