Auswahl eigensicherer Barrieren: MTL- und gängige Marken für zuverlässige industrielle Automatisierungsstromkreise im Vergleich
Eigensicherheit bleibt ein zentrales Fachgebiet der Instrumentierung in explosionsgefährdeten Bereichen. Ingenieure, die mit SPS-, DCS- und Steuerungssystemen arbeiten, müssen die Barrieren-Ausgänge sorgfältig auf die Eingänge der Feldgeräte abstimmen. Dieser Artikel behandelt MTL5500-Isolatoren, MTL7700-Shunt-Diodenbarrieren und praktische Auswahlschritte. Außerdem bietet er Praxiserfahrungen und Kommentare zu Projekten der Fabrikautomation.
Prüfung der Kennwerte: die erste Freigabestufe
Warum Uo, Io und Po unter Ui, Ii und Pi liegen müssen
Eine eigensichere Barriere gibt die maximale Ausgangsspannung, den maximalen Ausgangsstrom und die maximale Ausgangsleistung unter Fehlerbedingungen an. Für den Feldtransmitter sind die maximalen Eingangswerte angegeben. Bei einer konformen Stromschleife muss jeder Eingangswert mindestens so hoch sein wie der entsprechende Ausgangswert. Ingenieure müssen Uo ≤ Ui, Io ≤ Ii und Po ≤ Pi prüfen, bevor sie eine Spannungsberechnung durchführen. Diese Prüfung schützt die Sicherheitsintegrität und erleichtert die Auditvorbereitung.
Zertifikatsprüfung vor der Katalogbestellung
Die Auswahl beginnt mit dem Zertifikat, nicht mit dem Produktfoto. Die MTL5500-Serie verfügt über ATEX- und IECEx-Zulassungen für Ausgänge der Zone 0 IIC mit Temperaturklasse T4. Modelle wie der Messumformer-Repeater MTL5541 eignen sich für 2- und 3-Leiter-Stromschleifen mit 4–20 mA. Die Bewertung der funktionalen Sicherheit bietet zusätzliche Sicherheit. Daher sollten Ingenieure die Kennwerte des Betriebsmittels frühzeitig im Projekt dem Zertifikat des Feldgeräts entnehmen.
MTL5500-Isolatorserie: Dreifachtrennung ohne Sicherheitserdung
Galvanische Trennung vereinfacht den Schaltschrankaufbau
Die galvanische Trennung macht den bei Shunt-Diodenbarrieren erforderlichen Sicherheitserdungsanschluss überflüssig. Die MTL5500-Serie bietet eine Dreifachtrennung bei geringer Verlustleistung. Diese Architektur beseitigt Erdschleifenrisiken und vereinfacht Schaltschränke mit gemischten Signalen. Zudem beschleunigen abnehmbare Klemmen die Wartung und das Trennen von Stromkreisen. Diese Merkmale reduzieren den technischen Aufwand bei der Inbetriebnahme und Validierung.
Digitale und analoge Module für gängige Anwendungen
Der MTL5501-SR bietet einen Digitaleingangskanal mit fehlersicherem Halbleiterausgang und Leitungsfehlererkennung. Der MTL5510 vereint vier Digitaleingangskanäle in einem einzigen Modul. Analogeingangsmodelle wie der MTL5541 unterstützen 2- oder 3-Leiter-Transmitter. Zu den Digitalausgangsvarianten gehört der schleifengespeiste Magnetventiltreiber MTL5521, der für IIC-Atmosphären ausgelegt ist. Jedes Modul unterstützt Ausgänge für Zone 0 IIC und IIIC, wenn es in Zone 2 montiert ist.
MTL7700-Shunt-Dioden-Barrieren: kostengünstiger passiver Schutz
Zener-Barrieren eignen sich für einfache Schleifen mit einer zuverlässigen Erdung
Passive Zener-Barrieren eignen sich weiterhin für einfache Schleifen mit einer geeigneten Erdungsreferenz. Die MTL7700-Serie verwendet Zener-Dioden, Widerstände und Sicherungen, um überschüssige Energie zur Erde abzuleiten. Diese Barrieren werden auf Standard-DIN-Tragschienen mit T-Profil montiert und stellen gleichzeitig die eigensichere Erdverbindung her. Der MTL7706+ eignet sich für 2-adrige 4–20-mA-Messumformer. Der MTL7756ac verarbeitet niederpegelige Analogeingänge von Thermoelementen und RTDs.
Die Erdungsqualität bestimmt die praktische Verwendbarkeit
Die MTL7700-Familie erfordert eine hochintegre Sicherheitserdung mit weniger als 1 Ω zum Haupterdungspunkt. Diese Anforderung bringt Einschränkungen mit sich, wenn das Steuerungssystem potenzialfrei ist. Erdableitströme können außerdem die Signalintegrität beeinträchtigen. Das Stromversorgungsmodul MTL7798 versorgt über eine Sammelschiene mehrere Barrieren mit elektronisch abgesichertem Strom. Dadurch entfällt die separate Stromversorgungsverdrahtung im Feld. Die Trennverstärker der MTL5500-Familie machen die Erdungsanforderung jedoch vollständig überflüssig.
Schleifenspannung bei 20 mA: Prüfung des ordnungsgemäßen Betriebs
Eine Sicherheitszulassung allein garantiert keine Leistung
Eine Schleife kann die Prüfungen der Entity-Parameter bestehen und bei höheren Strömen dennoch ausfallen. Bei 4 mA liegt am Messumformer reichlich Spannung an. Bei 20 mA verbrauchen der strombegrenzende Widerstand und die Kabelimpedanz zunehmend mehr Spannung. Der MTL4541T veranschaulicht diesen Zielkonflikt. Sein Uo von 22 V ermöglicht längere Kabel mit Co von 165 nF für IIC Zone 0/1. Bei 20 mA sinkt die Arbeitsspannung jedoch auf 14 V.
Erstellen Sie ein Spannungsbudget bei maximalem Schleifenstrom
Ingenieure müssen den Spannungsabfall des Kabels bei maximalem Schleifenstrom von der Arbeitsspannung der Barriere abziehen. Ein typischer 4–20-mA-Messumformer benötigt an seinen Klemmen mindestens 12 V. Bei einer Ausgangsspannung der Barriere von 14 V bleiben nur 2 V Reserve für Kabel- und Steckerverluste. Längere Kabel mit höherer Impedanz können diese Reserve schnell aufbrauchen. Daher muss bei der Auswahl das Spannungsbudget bei 20 mA geprüft werden, nicht nur am Nullpunkt bei 4 mA.
Kabelkapazität und Gasgruppe: Bestimmung der praktischen Leitungslänge
IEC 60079-11 verknüpft die Ausgangsspannung mit der zulässigen Kapazität
Tabelle A.2 der IEC 60079-11 setzt die Ausgangsspannung mit der zulässigen externen Kapazität in Beziehung. Eine Sicherheitsbeschreibung für 28 V ergibt für IIC-Anwendungen in Zone 0/1 einen Co-Wert von 83 nF. Nach Abzug der 20 nF Ci des Feldgeräts beträgt die zulässige Kabelkapazität 63 nF. Bei einer typischen Kabelkapazität von 95 nF/km liegt die maximale Kabellänge bei etwa 660 Metern. Eine Verringerung von Uo auf 22 V erhöht Co auf 165 nF und verdoppelt die Kabellänge praktisch.
Die Wahl der Gasgruppe beeinflusst Kabellänge und Kosten
Die Ex-ic-Zertifizierung für Zone 2 hebt den Sicherheitsfaktor von 1,5 auf und erhöht Co für einen 28-V-Regelkreis von 83 nF auf 272 nF. Diese Änderung ermöglicht theoretisch eine Kabellänge von 2,5 km. Häufig wird jedoch nicht mehr die Kapazität, sondern die Betriebsspannung am entfernten Ende zum begrenzenden Faktor. Die Gasgruppenklassifizierung bietet einen weiteren Spielraum. Regelkreise der Gruppen IIB oder IIA erlauben eine höhere Kapazität und Induktivität als solche der Gruppe IIC. Ingenieure sollten die tatsächliche Gasgruppe bestätigen, statt überall standardmäßig IIC anzunehmen.
Markenkompatibilität und Risiken gemischter Systeme
Eigenschaften der Feldgeräte beeinflussen die Wahl der Barriere
Die Wahl der Barriere hängt auf eine Weise mit den Eigenschaften der Feldgeräte zusammen, die in Datenblättern selten erwähnt wird. Ein Integrationsleitfaden für Wägezellen weist darauf hin, dass Barrieren der Serie Pepperl+Fuchs KFD2 speziell für Wägeanwendungen validiert sind. Derselbe Leitfaden beschreibt MTL7700-Barrieren als universell einsetzbare Geräte, deren Auswahl für die Erregung von Wägezellen und den Signalrücklauf sorgfältiger erfolgen muss. Bei Sechsleiter-Wägezellen mit Fernmessung werden zusätzliche Barrierekanäle benötigt, um die Kompensation der Erregung aufrechtzuerhalten.
Barrieremarken nicht innerhalb eines Stromkreises mischen
Es wird davon abgeraten, Barrieremarken innerhalb eines einzelnen Strom- oder Kommunikationskreises zu mischen. In einem Kabel-Auswahlhandbuch wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Barrieretypen von STAHL, MTL und Pepperl+Fuchs nicht im selben Netzwerk kombiniert werden sollten. Der Grund sind unterschiedliche Widerstandswerte von Ende zu Ende. STAHL 8901/31 weist 201 Ω auf, MTL 728 340 Ω und Pepperl+Fuchs Z428/EX 327 Ω. Diese Unterschiede wirken sich auf die Berechnungen zur Geräteanzahl und Kabellänge aus. Daher verringert eine einheitliche Barriereplattform für jeden Regelkreis die Unsicherheit bei der Integration.
Auswahlprozess: Sicherheit, Funktion und Dokumentation
Eine disziplinierte Abfolge verhindert Nacharbeiten bei der Inbetriebnahme
Erstens sind die Gefahrenbereichszone, die Gasgruppe und die Temperaturklasse zu bestimmen. Zweitens sind Ui, Ii, Pi, Ci und Li dem Zertifikat des Feldgeräts zu entnehmen. Drittens sind Barrieren in die engere Auswahl zu nehmen, deren Uo, Io und Po mit ausreichender Reserve unter diesen Eingangsgrenzwerten liegen. Viertens ist anhand der Arbeitsspannungskurve der Barriere, des Kabelwiderstands und der Steckerverluste die Spannung an den Transmitterklemmen bei 20 mA zu berechnen. Fünftens sind die Kabelkapazität und -induktivität anhand von Co minus Ci und Lo minus Li für die geltende Gasgruppe zu prüfen.
Dokumentation unterstützt Audits und langfristige Zuverlässigkeit
Sechstens ist zu bestätigen, dass die Barriere über die für den Installationsort erforderliche ATEX-, IECEx- oder regionale Zertifizierung verfügt. Siebtens sind der Vergleich der Entity-Parameter und das Spannungsbudget zu Prüfzwecken in der Stromkreisakte zu dokumentieren. MTL5500-Trennverstärker vereinfachen die Schritte drei und sechs, da ihre Zertifizierung Ausgänge für Zone 0 IIC mit einer Bewertung der funktionalen Sicherheit abdeckt. MTL7700-Barrieren sind eine kostengünstigere Option, wenn eine hochzuverlässige Sicherheitserdung vorhanden ist und die Kabelstrecken moderat bleiben. Die endgültige Wahl hängt davon ab, ob die Installation die Erdungsanforderung erfüllen kann und ob die Spannungsreserve bei 20 mA für die Mindestbetriebsspannung des Transmitters ausreicht.
Einblick des Autors: Praxiserfahrung aus Projekten der Fabrikautomation
Was Inbetriebnahmeteams oft übersehen
Meiner Erfahrung mit industrieller Automatisierung und Steuerungssystemen nach treten Probleme mit der Spannungsreserve häufiger auf als Probleme mit Zertifikaten. Teams geben einen Stromkreis oft allein anhand der Entity-Parameter frei. Bei der Inbetriebnahme unter realen Bedingungen stellen sie dann einen Fehler bei 20 mA fest. Eine einfache Tabelle, in der die Arbeitsspannung der Barriere, der Kabelwiderstand und die Steckerverluste erfasst werden, verhindert die meisten dieser Überraschungen. Außerdem bietet sie DCS- und SPS-Ingenieuren eine gemeinsame Referenz bei der Prüfung des Stromkreises.
Plattformstandardisierung verringert das Integrationsrisiko
Die Standardisierung auf eine Barriereplattform pro Stromkreis verringert die Unsicherheit bei der Integration. Netzwerke mit unterschiedlichen Marken erschweren die Berechnung des Widerstands und die Planung von Ersatzteilen. Außerdem verlangsamen sie die Fehlersuche bei Stillständen in der Fabrikautomation. Eine einheitliche Plattform, ob MTL5500-Trennverstärker oder MTL7700-Shunt-Diodenbarrieren, sorgt für eine übersichtliche Dokumentation. Sie hilft auch den Wartungsteams, die richtigen Ersatzteile bereitzuhalten.
Anwendungsfall: Ein typischer 4–20-mA-Transmitterstromkreis
Szenario und Lösung
Betrachten Sie einen 2-Draht-Druckmessumformer mit 4–20 mA in einem IIC-Bereich der Zone 1. Im Gerätezertifikat sind Ui 28 V, Ii 93 mA, Pi 0.65 W, Ci 20 nF und Li 0 mH angegeben. Als Schnittstelle dient ein Trennverstärker MTL5541 mit einer sicherheitstechnischen Beschreibung von Uo 22 V. Für den Stromkreis werden 500 Meter Kabel mit einer Kapazität von 95 nF/km und einem Widerstand von 0.05 Ω/m verwendet. Ingenieure berechnen das Spannungsbudget bei 20 mA und bestätigen, dass an den Anschlüssen des Messumformers eine ausreichende Reserve vorhanden ist. Außerdem prüfen sie die Kabelkapazität anhand von Co minus Ci. In der Dokumentation des Stromkreises werden der Vergleich der Kenngrößen und das Spannungsbudget für Audits festgehalten. Dieser Ablauf schützt sowohl die Sicherheitsintegrität als auch die Prozessverfügbarkeit.
Häufig gestellte Fragen
1. Welche Kenngrößen muss ich für einen eigensicheren Stromkreis vergleichen?
Vergleichen Sie Uo, Io und Po der Trennbarriere mit Ui, Ii und Pi des Feldgeräts. Vergleichen Sie außerdem Co und Lo der Trennbarriere mit Ci und Li des Feldgeräts, einschließlich der Kabelkapazität und -induktivität. Alle Eingangswerte müssen den jeweils zugehörigen Ausgangswerten entsprechen oder diese überschreiten.
2. Warum ist die Stromkreisspannung bei 20 mA wichtiger als bei 4 mA?
Bei 20 mA verbrauchen der Strombegrenzungswiderstand und die Kabelimpedanz mehr Spannung. Mit steigendem Strom sinkt die Ausgangsspannung der Trennbarriere. Ein Stromkreis, der bei 4 mA funktioniert, kann bei 20 mA ausfallen, wenn die Spannungsreserve für die Mindestbetriebsspannung des Messumformers zu gering ist.
3. Wann sollte ich statt einer Trennbarriere MTL7700 mit Zenerdioden einen Trennverstärker MTL5500 wählen?
Wählen Sie den Trennverstärker MTL5500, wenn die Installation keine hochzuverlässige Sicherheitserdung mit weniger als 1 Ω bietet. Die galvanische Trennung vereinfacht außerdem Schaltschränke mit gemischten Signalen und beseitigt das Risiko von Erdschleifen. Wählen Sie die Trennbarriere MTL7700 mit Zenerdioden für unkomplizierte Stromkreise mit einer zuverlässigen Erdung und moderaten Kabellängen.
4. Kann ich innerhalb eines Stromkreises oder Netzwerks Trennbarrieren verschiedener Hersteller mischen?
Es wird davon abgeraten, innerhalb eines einzelnen Strom- oder Kommunikationskreises Trennbarrieren verschiedener Hersteller zu mischen. Unterschiedliche Widerstandswerte von Ende zu Ende wirken sich auf die Berechnungen der Geräteanzahl und Kabellänge aus. Eine einheitliche Trennbarrieren-Plattform für jeden Stromkreis verringert die Integrationsunsicherheit und vereinfacht die Wartung.
5. Wie wirkt sich die Gasgruppeneinstufung auf die Kabellänge aus?
IIB- oder IIA-Stromkreise erlauben eine höhere Kapazität und Induktivität als IIC-Stromkreise. Eine unnötig strenge Auslegung für IIC verkürzt die Kabellängen und kann teure Upgrades der Trennverstärker erforderlich machen. Ingenieure sollten die tatsächliche Gasgruppe ermitteln, statt standardmäßig überall IIC anzusetzen.
