Signaltrennung: Erst die Pflicht, dann die Kür

Signaltrenner der SC-Baureihe erfüllen die diversen Anforderungen aus der Praxis.Pepperl+Fuchs

Verfälschte Signale sind Gift für die Automation. Auf dem Signalweg vom Sensor zur Steuerung kann es jedoch sehr schnell dazu kommen. Eine potenzielle Ursache sind Ausgleichsströme durch Erdschleifen. Sie entstehen durch Potenzialunterschiede zwischen den geerdeten Feldgeräten und der im Schaltschrank ebenfalls geerdeten Steuerung. Die Ausgleichsströme führen zu Abweichungen der Signale und können die Kommunikation so stark beeinträchtigen, dass eine sichere Prozesssteuerung nicht mehr möglich ist. Ähnliche Probleme treten auf, wenn leistungsstarke Verbraucher in der Nähe der Signalleitungen geerdet sind oder Frequenzumrichter bei einem Lastwechsel Störsignale einkoppeln. Das Problem solcher Störungen: Solange die Summe aus Signal- und Fehlerstrom zwischen 4 und 20 mA liegt, kann die Steuerung den Fehler nicht erkennen; somit den Fehler weder anzeigen noch darauf automatisch reagieren.

Störungen können auch direkt in den Signal­pfad gelangen, zum Beispiel, wenn bei netzgespeisten Geräten wie Motoren oder Lüftern ein Isolationsfehler auftritt. In diesem Fall können hohe Spannungen im Signalkreis auftreten. Signaltrenner gewährleisten den Berührschutz und schützen Anlagen vor solchen leitungs­gebundenen Gefahren:

Signaltrennung ‒ mehr als einfache galvanische Trennung

Eine galvanische Trennung können solche Störungen zumindest die Steuerung davor schützen. Dazu wird die Messschleife über einen Trafo im Signaltrenner aufgetrennt. Zu den weiteren Aufgaben dieser Interface-Bausteine gehört die Signal­umformung. Sie ist erforderlich, wenn Feldgeräte nicht die von den I/Os unterstützen Normsignale liefern. Diese Situation ist häufig bei kleinen, kostengünstigen Steuerungen anzutreffen, die oft nur Spannungseingänge vorhalten. 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 oft nur gängige Eingangswerte; Thermoelemente oder Widerstandsthermometer fehlen mitunter.

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

Darüber hinaus schützen Signaltrenner den Stromkreis gegen einen Kurzschluss, da sie die Ausgänge auf der Steuerungsseite in den sicheren Zustand schalten, das heißt auf einen bei der Inbetriebnahme voreingestellten Ausgangswert.

Häufig müssen die Feldsignale direkt für mehrere Systeme bereitgestellt werden, zum Beispiel für die Datenerfassung. Allerdings dürfen nicht mehrere Trenner in Reihe geschaltet werden. Falls die Verbindung dann unterbrochen wäre, würden keines der Systeme noch ein Signal empfangen. Abhilfe schaffen Signal-Splitter mit galvanisch getrennten Ausgängen.

Die galvanische Trennung verhindert Ausgleichströme in Erdschleifen, schützt die Steuerung vor anderen Störungen und verhindert Gegenströme bei einer eventuellen Verschaltung von zwei Stromquellen.Pepperl+Fuchs

Signaltrenner beugen ebenso Problemen vor, die aus Gegenströmen resultieren: Wenn Feldgerät und Steuerung gleichzeitig versuchen, Strom in den Signalkreis einzuspeisen. Mit Signaltrennern lassen sich in der Regel Stromsenken, Stromquellen und Spannungsquellen beliebig kombinieren.

Safety first – die Trennqualität

Die elementaren Funktionen eines Signal­trenners realisieren die Anbieter unterschiedlich. Mehr als 15 Jahre Erfahrung im Signaltrenner-Geschäft spiegeln die Prioritäten der Anwender sehr deutlich wider: Zentrale Forderung der Kunden ist eine gute Trennqualität, damit das ­Gerät seine Kernaufgaben zuverlässig erfüllt. Die Trennqualität einer Schaltung wird wiederum durch viele Parameter beeinflusst: Die Spanne reicht vom Schaltungsdesign, beispielsweise dem Abstand der Trennstecken, bis hin zur Qualität der verwendeten Bauteile. Über die Jahre hat der Bedarf an Spannungsfestigkeit zugenommen, da immer häufiger hohe und steile Impulse auftreten. Typische Prüf- und maximal zulässige Arbeitsspannungen liegen heute bei bis zu 3 kV (Prüfspannung) oder 300 V (Arbeitsspannung) und gewährleisten damit den Berührschutz.

Häufig ist Anwendern wichtig, ob der Hersteller über Erfahrungen in der Herstellung von Trennbarrieren für den Ex-Bereich verfügt. Gerade die Ex-Komponenten müssen anspruchsvollen Normen genügen sowie diverse externe Prüfungen bestehen. Aus logistischen Gründen kommen diese höherwertigen Schaltungskonzepte und Bauteile häufig auch in Standard-Trennern zum Einsatz. Im Endergebnis erhöht das deren Zuverlässigkeit.

Jedes Grad, jeder Millimeter zählt

Relevant für die Auswahl von Signaltrennern ist auch eine geringe Eigenerwärmung und eine möglichst hohe Betriebstemperatur – für Schaltschrankbauer zählt hier buchstäblich jedes Kelvin. Standard bei Signaltrennern ist 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. Seitens Anbieter oft unterschätzt werden aus Sicht der Anwender die Abmessungen sowie die mechanischen Eigenschaften von Trennbausteinen. Eine Modulbreite bis hinunter zu 6 mm ist heutzutage möglich, auch für zweikanalige Typen.

Aber auch die Bauhöhe spielt eine große Rolle. Erfahrungsgemäß sind in fast reinen Signaltrenner-Anwendungen – also ohne oder mit wenigen Trennbarrieren – Produkte von mehreren Anbietern vorzufinden. Bei Austausch oder Erweiterung müssen neue Signaltrenner in das zur Verfügung stehende Schaltschrankraster passen, um genutzt werden zu können. Aus Sicht der Anwender nicht unbedingt notwendige Features wie Display oder abziehbare Klemmen sind vor diesem Hintergrund eher kontraproduktiv, weil beides zusätzlich Platz benötigt.

Oft unterschätzt, von Kunden aber immer wieder gefordert, wird die mechanische Stabilität der Gehäuse. Diese ist beson­ders wichtig, wenn Signaltrenner häufig mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise in der Nähe von Kolbenmotoren oder Brecheranlagen. Pepperl+Fuchs führt daher sogenannte Elmech-Tests in einem unabhängigen Prüflabor durch. Dabei werden unter anderem vorgealterte Geräte mechanischen und klimatischen Belastungen ausgesetzt und die Einhaltung der jeweiligen Spezifikation überwacht.

(sk)