Messgeräte von Jumo sorgen für Funktionale Sicherheit

Matthias Garbsch, Branchenmanager Safety, Jumo GmbH & Co. KG in Fulda

Als sich im norditalienischen Ort Seveso im Jahr 1976 ein dramatischer Giftgasunfall ereignete, war das der Auslöser einer Entwicklung, deren Ergebnisse heute unter den Begriffen „Funktionale Sicherheit“ oder „SIL“ bekannt sind. Damals kam es in einer Anlage, die weder über automatische Kühlsysteme noch über Warnanlagen verfügte, zu einer folgenschweren Überhitzungsreaktion und der Freisetzung großer Mengen von Dioxin. 200.000 Menschen mussten ärztlich behandelt, rund 70.000 Tiere notgeschlachtet werden. Als Folge dieser Katastrophe wurde die Verschärfung der Gesetze und Verordnungen zum Schutz von Menschen, Lebewesen und Umwelt beschlossen. Erstes Ergebnis war die im Jahr 1998 veröffentlichte Norm IEC 61508 „Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer programmierbarer Systeme“, die seit 2002 als EN 61508 angewendet wird. Diese Norm definierte erstmals die Sicherheitsanforderungen in der Automatisierungstechnik. Während sich die IEC 61508 in erster Linie an die Hersteller von Komponenten für Schutzeinrichtungen richtet, ist die IEC 61511 „Funktionale Sicherheit – Sicherheitstechnische Systeme in der Prozessindustrie“ für Betreiber und Planer von Schutzeinrichtungen relevant. Die IEC 61511 gibt Empfehlungen und Vorgaben zur Beurteilung des Schadenrisikos von Anlagen und unterstützt bei der Auswahl geeigneter, sicherheitsgerichteter Komponenten. Ziel dieser Normen ist es, das Risiko auf ein vertretbares Maß zu reduzieren.

Bei einem Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema in der Anlagen- und Verfahrenstechnik zur Sicherheitsbetrachtung eines Prozesses müssen z.B. die Einzelkomponenten Sensorik, Auswerteelektronik und Aktor separat betrachtet werden, um einen allgemeinen Lösungsansatz zu finden. Sensoren messen dabei physikalische Prozessgrößen wie Temperatur, Niveau oder Druck und formen den Messwert in ein Einheitssignal um. Bei der Auswertelektronik kommen in der Regel Steuerungseinheiten zum Einsatz, die die Prozessgrößen umwandeln, linearisieren, speichern sowie nach Regeln verarbeiten und dann dem Aktor zur Ausführung weiterleiten. Aktoren können anschließend Eingriffe in den Prozessablauf durch Verstellen von Funktionsgrößen unterschiedlichster Art vornehmen.

Im Bereich der Auswerte-Elektronik sind sicherheitsgerichtete Varianten durch zwei Herangehensweisen realisierbar. So können Anwender auf eine speicherprogrammierbare Sicherheits-Steuerung setzen. Diese Lösung eignet sich besonders für den Sonderanlagenbau mit Prozessleitsystem und zeichnet sich durch umfangreiche funktionelle Anwendungen sowie eine höhere Signaldichte und -anzahl aus. Allerdings sind hier komplexe Programmieranwendungen nötig und die Ein- und Ausgänge sind an Kartentypen und Mehrkanaligkeit gebunden. Investitionskosten differieren in Abhängigkeit von der Kanalanzahl und dem Softwareaufwand. Darüber hinaus muss jede Applikation separat nach SIL berechnet und bewertet werden. Realisierbar sind auf diesem Weg Lösungen bis zu SIL4.

Eine Alternative zur speicherprogrammierbaren Sicherheits-Steuerung ist der Einsatz von Sicherheitswächtern oder -begrenzern wie der Jumo Safety M-Serie. Diese Lösung eignet sich besonders für kleinere Anwendungen wie Sondermaschinen und Einzelapplikationen mit niedriger Signaldichte und -anzahl. Neben geringen Investitionskosten liegen die Vorteile hier bei einem geringeren Aufwand an Parametrierung je Applikation. Die Anwendung arbeitet mit Einheitssignalen und zeichnet sich durch eine redundante interne Struktur mit redundanten Sensoreingängen aus. Zur Verfügung stehen weiterhin drei unterschiedliche Funktionsausgänge (analog / binär). Auf diese Weise sind Lösungen bis zu SIL3 möglich. Besonders wichtig: In Verbindung mit definierter Sensorik des Herstellers ist die gesamte SIL-Kette bereits berechnet und entsprechende Zertifikate können vom Unternehmen ausgestellt werden. Diese Möglichkeit bietet derzeit kein anderer Hersteller. Selbstverständlich lassen sich aber auch Sensoren anderer Hersteller problemlos anbinden und auch auf Seite der Aktoren besteht keine Herstellerbindung, wenngleich diese natürlich Vorteile mit sich bringt.

Vor allen Dingen in der chemischen Industrie ist die Drucküberwachung in Tankanlagen ein Thema von hoher sicherheitstechnischer Relevanz. Mit Jumo-Geräten lässt sich hierfür eine im Hinblick auf die funktionale Sicherheit besonders komfortable Lösung realisieren. Kernstück ist der Safety M STB/STW. Dieser Sicherheitsbegrenzer/-wächter nach DIN EN 14597 hat die primäre Aufgabe, Prozesse zuverlässig zu überwachen und die Anlagen bei Störung in den betriebssicheren Zustand zu versetzen. Eine Grenzwertüberschreitung wird von den eingebauten LEDs K1 und K2 (rot) für jeden Kanal signalisiert und der eingebaute Relaisausgang-Alarm schaltet die Anlage in einen betriebssicheren Zustand (Alarmbereich).

Die hohen Anforderungen der DIN EN 61508 und der DIN EN 13849 werden durch ein Gerätekonzept erfüllt, dessen 1oo2D-Struktur das sichere Erkennen von Fehlern gewährleistet und sich somit auch bei Anwendungen, die der neuen Maschinenrichtlinie 2006/42/EG unterliegen, einsetzen lässt. Da der Messwert am Analogeingang über verschiedene Fühler oder Einheitssignale erfasst werden kann, eignet sich der Sicherheitsbegrenzer/-wächter auch zur Drucküberwachung. Hierzu wird ein Differenzdruckmessumformer über zwei Ex-i Speise-/Eingangstrennverstärker mit dem Jumo Safety M verbunden. Bereits mit dieser Lösung ist eine Grenzwertabschaltung bis SIL 3 für eine eingestellte Niveauhöhe realisierbar. Der Anwender erhält so eine einkanalige Sicherheitssteuerung mit wählbaren redundanten Eingangssignalen für Einheitssignale. Die Konfiguration erfolgt einfach und komfortabel mit Hilfe der Gerätesoftware.

Als Differenzdruckmessumformer kommt der Jumo dTrans p20 Delta Ex zum Einsatz. Der Messumformer ist programmierbar und dadurch an vielfältige Messaufgaben flexibel anpassbar. In der Ausführung mit Explosionsschutz “Ex ia (eigensicher)“ kann der Druckmessumformer bis an Zone 0 montiert werden. Der Jumo Safety M lässt sich darüber hinaus an das Mess,- Regel- und Automatisierungssystem mTron T des Herstellers anbinden. Hierzu wird entweder das Binärsignal des Voralarms oder das analoge Ausgangssignal verwendet. Mit dieser Lösung erhält der Anwender einen deutlich gesteigerten Funktionsumfang sowie umfassende Visualisierungsmöglichkeiten. Weitere SIL-Lösungen, die sich mit der Lösung realisieren lassen, sind die Temperaturüberwachung in Wärmebehandlungsanlagen, die Überwachung von Pumpen, Überfüllabschaltungen oder Extrudern. jg