Sicher befeuern! Dezentrale Sicherheitssteuerung für Anwendungen in der Feuerungstechnik

Es gibt nur wenige Industriebereiche, in denen die Sicherheitsanforderungen so hoch sind wie bei der Feuerungstechnik. Die Überwachung analoger Größen wie Druck, Strömung oder Temperatur ist hier essenziell für eine zuverlässige Automation. Eine Möglichkeit, dies einfach und kosteneffizient zu realisieren, ist der Einsatz einer dezentralen Sicherheitssteuerung, die über analoge Safety-Module verfügt.

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 und 1.500 Grad Celcius. Doch nicht nur die hohen Temperaturen stellen hier ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar. Auch weitere Größen, wie der Ofendruck oder das Verhältnis von Luft- zu Brennstoffmassenstrom, müssen kontinuierlich überwacht werden, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Hier sind möglichst einfache und normgerechte Lösungen gefragt.

Sicherheitssteuerungen leisten einen entscheidenden Beitrag zur Funktionalen Sicherheit von Maschinen und Anlagen. Ein Beispiel dafür ist die samos Pro Compact von Wieland Electric, die durch ihren dezentralen Ansatz mit jeder Art von Leit- und Visualisierungssystem bzw. mit jedem Protokoll kommunizieren kann. Auf diese Weise können sich Prozesssteuerungen auf das Wesentliche konzentrieren, während gleichzeitig die Funktionale Sicherheit intuitiv gestaltet werden kann. Die lizenzfreie Steuerung ermöglicht eine einfache Programmierung auch komplizierter Prozesse und wurde um Safety Module erweitert, mit denen jetzt auch analoge Werte sicher erkannt und weiterverarbeitet werden können.

Analogwerte sicher verarbeiten
Die neuen Analogmodule unterstützen Sensoren mit 0/4-20mA-Schnittstelle sowie temperaturabhängige Widerstände wie Pt/Ni-Sensoren und liefern ihre analogen Daten an die Sicherheitssteuerung. Insgesamt können bis zu 48 analoge Sensoren in 2/3/4-Drahttechnik angeschlossen werden. Die Übertragung aller Rohwerte, eine ständige Ist-Analyse und die Visualisierung erfolgen über die lizenzfreie Programmiersoftware samos Plan 6. Mit den neuen sicheren Funktionsbausteinen „Limit“, „Range“, „Relation“ und „Difference“ können die Werte überwacht werden. Vergleichende bzw. arithmetische Verknüpfungen der analogen Daten sind hier ebenso möglich wie eine Dimensionierung und Skalierung der gemessenen Stromwerte.

Da die samos Pro Compact über USB- und ETH-Schnittstellen verfügt, ist der Zugriff auf das System jederzeit möglich. Ebenso sind drei industrielle Ethernet-Protokolle Modbus TCP, EtherNet/IP und Profinet IO enthalten und zwei weitere Gateways für Feldbusse vereinfachen bei Bedarf die Einbindung in verschiedenste industrielle Netzwerke. Das sorgt für mehr Transparenz beim Anwender, da die analogen Werte an jedes bestehende Prozess- oder Steuerungssystem übertragen werden können. Bis zu drei unterschiedliche Feldbussysteme lassen sich parallel von einer Steuerung aus betreiben.

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

Flexible Parametrierung und fertige Funktionsbausteine
Auf die Frage, wie sich analoge Sensoren in der Feuerungstechnik einfach parametrieren lassen, antwortet Wieland mit intelligenten Features innerhalb seiner Programmiersoftware. Hier kann über die wählbare Sensor-Dimensionierung übersichtlich in der gewünschten physikalischen Einheit gearbeitet werden. Zudem sind viele Funktionsbausteine gemäß Produktnormen (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. Dieser unterstützt die Überwachung der Brennstoffverhältnisse bei Nieder- und Hochtemperaturanlagen, Dampfkesseln und Thermalölerhitzern sowie an allgemeinen Verbrennungs- und Trocknungsanlagen in diversen chemischen Prozessen. Die Sicherheitsfunktion zur Brennstoffmengenmessung und Verhältnisüberwachung ist bis SIL3/PLe realisierbar. Dabei kann jeder Luft- beziehungsweise Brennstoffmengen-Messumformer sowie Differenzdruckwächter in 2/3/4-Drahttechnik mittels 0/4-20mA ausgewertet werden. Die Skalierung und Dimensionierung wiederum ist mittels Absolut- und Realwerten möglich.

Ein weiteres Anwendungsfeld 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/PLe 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 potentialfreier Messumformer ist nicht notwendig.

Zu den Herausforderungen bei Befeuerungsanlagen zählen schließlich Sonderapplikationen, bei denen Sensoren aus einer Atex-Zone an die Analogmodule angeschlossen oder Thermoelemente sicher verarbeitet werden müssen. Zudem kann es vorkommen, dass Sensoren unterschiedliche Signalarten führen oder das Design einer analogen Sicherheitsfunktion zu bewerten ist. Hier bietet Wieland im Bereich Feuerungstechnik mit dem zuständigen Business Development Manager, Markus Kick, eine lösungsorientierte, applikative Beratung, die weit über die Produkte hinausgeht