Überspannungsschutz mit Diagnose
Wissen statt hoffen
Prozesstechnische Anlagen werden vor Überspannungen geschützt, um ihre Verfügbarkeit nicht zu gefährden. Allerdings müssen die Überspannungsschutzmodule regelmäßig geprüft und gegebenenfalls ersetzt werden. Dies bedeutet einen signifikanten Aufwand, falls die Kontrollen manuell durchgeführt werden und Einschränkungen im Betrieb, wenn ein Signalkreis für einen Modultausch abgeschaltet werden muss. Prüfaufwand und Betriebsunterbrechungen entfallen beim Einsatz des modularen System M-LB-5000 mit Diagnose.
Bild 1 I Zweiteiliger Schutz: Das Schutzmodul wird auf das auf die Hutschiene montierte Basismodul aufgesteckt.
Bild 1 I Zweiteiliger Schutz: Das Schutzmodul wird auf das auf die Hutschiene montierte Basismodul aufgesteckt.Bild: Pepperl+Fuchs SE

Zahlreiche Gespräche mit Kunden im Vorfeld des Produktdesigns des M-LB-5000 machten das Schadenspotential von Überspannung deutlich, zeigten aber auch den Wunsch nach präziseren Aussagen zum Zustand der Schutzsysteme und geringem Aufwand bei dessen Überwachung auf: So wurde beispielsweise im Rahmen einer Kapazitätserweiterung einer Raffinerie im Nordosten Malaysias auch das Überspannungsschutzkonzept überarbeitet. Am Standort der Anlage herrscht eine hohe Blitzeinschlagsdichte. Häufig kam es zu Produktionsunterbrechungen, die wahrscheinlich auf Blitzeinschlag zurück zu führen waren. So wurden unter anderem IO Karten der Steuerung irreversibel beschädigt und Feldinstrumente sowie Trennbarrieren fielen aus. Aus dieser Situation heraus haben die Verantwortlichen ein Anforderungsprofil für einen neuen Überspannungsschutz entsprechend relevanter IEC Standards entwickelt, das unter anderem den Schutz der Signalleitungen im Kontrollraum und auf der Feldseite umfasst. Zentrales Element war vor dem Hintergrund der hohen Einschlagshäufigkeit ein modularer Überspannungsschutz, der sich im Schadensfall ohne Betriebsunterbrechung austauschen ließ.

Fünf Kernanforderungen

Exemplarisch auch das Beispiel einer Chemieanlage in der besonders blitzreichen Region Rayong in Thailand: Zwar werden am Standort auch bereits jetzt unter anderem die rund 10.000 Signalkreise vor Überspannung geschützt. Als Teil einer umfassenden Renovierung des Werkes soll nun der existierende Überspannungsschutz ersetzt werden, da es in der Vergangenheit immer wieder zu Ausfällen aufgrund von Überspannungsereignissen gekommen ist. Als Grund dafür wird angenommen, dass die Schutzmodule durch unbeobachtete Überspannungsereignisse so vorgeschädigt waren, dass ihre vollständige Schutzfunktion nicht mehr gegeben war. Als wesentliche Anforderungen kristallisieren sich in beiden Fällen heraus:

  • geringe Baubreite der Module
  • Statusanzeige mit Fernmeldefunktion
  • modular und steckbar ohne Unterbrechung des Signalkreises
  • Eignung für eigensichere Signalkreise IECEx-Zertifizierung
  • Eignung für Kreise bis SIL 3

Wenn auch in beiden Projekten vor allem Blitzeinschläge trotz vorhandenen Überspannungsschutzes zu Schäden und Produktionsausfällen führten, so gibt es noch weitere Ursache für Überspannungsschäden. Auch Transienten durch Schaltvorgänge sowie Lastabwürfe oder Unterbrechungen der Versorgung können eine Elektronik nachhaltig schädigen. Überspannungsschutz-Systeme müssen daher integraler Bestandteil von prozesstechnischen Anlagen sein. Aktuelle Normen wie EN62305 schreiben vor, dass die Schutzelemente regelmäßig auf ihre Wirksamkeit hin überprüft werden. Diese Kontrolle erfolgt bislang meist manuell vor Ort, ist gerade bei großen Anlagen sehr aufwändig und erfordert zudem unterwiesenes Personal sowie Hilfsmittel wie einen Prüfkoffer. Trotz dieser Prüfung lassen die gewonnen Ergebnisse keine Rückschlüsse auf die Vorschädigung des Schutzmoduls und damit auf seinen Verschleißzustand zu. Es ist daher bislang nur möglich, die geprüften Geräte mit ‚gut‘ oder ’schlecht‘ zu bewerten.

Bild 2 I Schutzmodule sind durch eine Trennwand von 
Wartungs-, Fehler- und 
Versorgungsmodulen getrennt
Bild 2 I Schutzmodule sind durch eine Trennwand von Wartungs-, Fehler- und Versorgungsmodulen getrenntBild: Pepperl+Fuchs SE

Überspannungsschutz mit Condition Monitoring

Das Überspannungsschutz-System M-LB-5000 mit Condition Monitoring Funktion gewährleistet eine automatische und kontinuierliche Überwachung von Signalleitungen. Die patentierte Diagnosefunktion erfasst über einen speziellen Algorithmus unterschiedliche Belastungssituationen, die zu einem Verschleiß des Überspannungsschutzes führen. Dazu gehören die Anzahl der Zündereignisse des Gasableiters, die Erfassung der Siliziumtemperatur der Supressordioden und die Messung der Innenraumtemperatur des Überspannungsschutzmoduls. Hat das Schutzmodul 90% seines Lebenszyklus erreicht, wird dies über eine gelbe LED angezeigt. So werden die Schutzmodule weder zu früh noch zu spät getauscht: Zu früher Austausch führt zu einer unnötig hohen Austauschfrequenz, ein zu später Austausch bedeutet für die Anlage Phasen ohne ausreichenden Überspannungsschutz. Das optimiert die Verfügbarkeit der Überspannungsschutzfunktion und damit auch die der Anlage und minimiert gleichzeitig die Wartungskosten. Die M-LB-5000-Module werden auf einer Standardhutschiene montiert. Die Geräte bestehen jeweils aus aus einem Basismodul sowie dem eigentlichen Schutzmodul. Um bei einer Montage von Ex- und Nicht-Ex-Modulen auf einer Hutschiene das Fadenmaß einzuhalten, verfügt das System zusätzlich über eine isolierende Trennwand. Alle Module haben eine Baubreite von nur 6,2mm und erlauben eine einfache Inbetriebnahme ohne spezielle Hilfsmittel. Zusätzlich zu den Schutz- und Basismodulen gibt es drei sogenannte Funktionsmodule. Das Wartungsmodul meldet, wenn bei mindestens einem Schutzmodul eine gelbe LED leuchtet und es ausgetauscht werden sollte. Das Fehlermodul zeigt an, wenn bei mindestens einem Gerät ein Fehler (rote LED) auftritt und dieses direkt ausgetauscht werden muss. Die dritte Einheit ist ein Powermodul, das die Schutzmodule über das Power Rail versorgt. Ebenfalls über das Power Rail werden auch die Fehlermeldungen an die Funktionsmodule oder die Steuerung weiter gegeben. Mehr als 100 Schutzmodule können von einem Funktionsblock versorgt werden.

Schutzmodule mit Signal-LEDs

Die intuitiv ablesbare Ampelanzeige an den Schutzmodulen minimiert den Prüfaufwand enorm, da der Fehler sehr einfach einem spezifischen Signalkreis zugeordnet werden kann. Eine grüne LED auf dem Schutzmodul bedeutet: Die volle Schutzwirkung ist vorhanden, es gibt eine ausreichende Funktionsreserve und es besteht keinen Handlungsbedarf. Die gelbe LED signalisiert als Teil der Condition Monitoring Funktion, dass das Schutzmodul ausgewechselt werden sollte. Der Signalkreis ist nach wie vor geschützt, das Modul sollte aber in Kürze, beispielsweise bei der nächsten turnusmäßigen Wartung ersetzt werden. Eine rote LED zeigt an, dass das Schutzmodul dauerhaft geschädigt und keine Schutzwirkung garantiert werden kann. Es muss sofort ersetzt werden, um Schäden beim nächsten Überspannungsereignis zu vermeiden.

Vorteile der Modularität

Im Wartungsfall bietet der modulare Aufbau des Überspannungsschutz-Systems deutliche Vorteile im Vergleich zu konventionellen Lösungen. So führt das Abziehen des Schutzmoduls dank des Basismoduls auf der Hutschiene zu keiner Signalunterbrechung: In dem Moment, in dem die Verbindung des Signalkreises mit dem Schutzmodul nicht mehr besteht, wird der Signalkreis unterbrechungsfrei über das Basismodul geschlossen. Ein Schutzmodul kann daher getauscht werden, ohne den Anlagenbetrieb zu beeinträchtigen. Ein zusätzlicher Loop Check ist nicht notwendig. Soll der Signalkreis hingegen bewusst unterbrochen werden, beispielsweise für Isolationsprüfungen während der Inbetriebnahme oder bei wiederkehrenden Tests, wird das Schutzmodul einfach um 180 Grad gedreht aufgesteckt. In diesem Fall wird der Signalkreis durch eine integrierte Trennfunktion unterbrochen. Dadurch kann das Modul auch Reihenklemmen in der Rangierebene platzneutral ersetzen.

Fazit

Die Diagnosefunktion des Überspannungsschutz-Systems M-LB-5000 erfasst über einen speziellen Algorithmus unterschiedliche Belastungssituationen und signalisiert, wenn das Schutzmodul 90% seines Lebenszyklus erreicht hat. Das erhöht die Effizienz der Schutzfunktion deutlich und minimiert die Wartungskosten. Die Modularität des Gerätes ermöglicht eine werkzeuglosen, unterbrechungsfreien Austausch des Schutzmoduls sowie einen Loop Disconnect.

www.pepperl-fuchs.com

Pepperl+Fuchs SE
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