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Präzise abgesichert – Elektronische Druckbegrenzer
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Präzise abgesichert – Elektronische Druckbegrenzer

Präzise abgesichert – Elektronische Druckbegrenzer für die Minimal- und Maximaldrucküberwachung

Druck und Temperatur sind in vielen Maschinen und Anlagen wichtige Prozessgrößen. Die Überwachung dieser Prozessgrößen gewährt den optimalen und sicheren Betrieb der Anlagen und Maschinen. Für die einfache Drucküberwachung werden typischerweise Druckschalter, Druckmessumformer oder herkömmliche Manometer verwendet.

Vortrag vor internationalem Fachpublikum
Vortrag vor internationalem Fachpublikum

Darüber hinaus müssen Kälteanlagen und Wärmepumpen so konstruiert und hergestellt werden, dass mögliche Gefährdungen von Personen, Eigentum und Umwelt ausgeschlossen sind. Hierfür sind entsprechende Schutzeinrichtungen zur Überwachung von kritischen Grenzfällen vorzusehen. Ein genaues Einstellen und somit auch ein präzises Überwachen dieser Grenzwerte ermöglicht ein optimiertes Maschinen- und Anlagendesign.

Schutzeinrichtungen zur Druckbegrenzung und Druckentlastung

EN378 für Kälteanlagen und Wärmepumpen
EN378 für Kälteanlagen und Wärmepumpen

Schutzeinrichtungen sind besondere Bauteile mit Sicherheitsfunktionen zur Überwachung von Grenzwerten. Als solche Einrichtungen gelten Sicherheitsventile, Berstscheiben, Knickstäbe, Schmelzpfropfen, die für eine Druckentlastung sorgen und Begrenzungsgeräte zum sicheren Abschalten des Druckerzeugers. Während der Schutz vor überhöhtem Druck in erster Linie der Sicherheit von Personen und Anlagen dient, kann eine Druckverringerung zu Fehlsituationen in der Anlage führen und ist meist auch ein Hinweis auf eine Leckage. Damit ist die Minimaldruckbegrenzung für die Effizienz der Maschine und vor allem auch mit Hinblick auf den Umweltschutz nicht zu vernachlässigen.

Wann und welche Maßnahmen vorzusehen sind, wird durch entsprechende Richtlinien, wie die Maschinenrichtlinie, die Druckgeräterichtlinie und durch fachgebietsspezifische Vorschriften festgelegt. Für Kälteanlagen und Wärmepumpen ist die EN 378 anzuwenden, siehe Abbildung.

Sicherheitsschalteinrichtungen zur Druckbegrenzung

Je nach Wirkungsrichtung gibt es Geräte zur Begrenzung auf fallenden Druck (Niederdruckbegrenzung bzw. Minimaldruckbegrenzung) und Geräte zum Schutz vor überhöhtem Druck (Hochdruck- bzw. Maximaldruckbegrenzung). Diese Sicherheitsschalteinrichtungen müssen so konstruiert sein, dass die Maschine bzw. Anlage auch im Fehlerfall immer in einen sicheren Zustand gesteuert wird. Diese Geräte sind einer Baumusterprüfung zu unterziehen, in der der Gerätehersteller einer Prüf- und Zertifizierungsstelle den einwandfreien Aufbau und die fehlerfreie Funktion nachweisen muss.

Vortrag vor internationalem Fachpublikum
Vortrag vor internationalem Fachpublikum

Für die Druckbegrenzung werden 3 Arten von Sicherheitsschaltgeräten unterschieden, die je nach Maschinen- und Anlagensituation einzusetzen sind. Funktionell sind es Druckschalter mit unterschiedlichen Entriegelungsmethoden. Im Folgenden sind die Geräte für den Schutz vor steigendem Druck dargestellt. Für Sicherheitsschaltgeräte zur Begrenzung auf fallenden Druck wird bei der Gerätekennzeichnung das „H“ durch ein „L“ ersetzt, z.B. PZL für den baumustergeprüften Minimaldruckbegrenzer.

PSH, PZH, PZHH Beschreibung
PSH Hysterese
PSH Hysterese
 
  • Baumustergeprüfter Druckwächter (PSH, DWK)
  • Einstellung eines Schaltpunktes und eines Rückschaltpunktes (Hysterese)
  • Zurücksetzen erfolgt automatisch

 

 
PZH Rücksetzen von Hand
PZH Rücksetzen von Hand
  • Baumustergeprüfter Druckbegrenzer (PZH, DBK)
  • Einstellung eines Schaltpunktes
  • Zurücksetzen wird von Hand (ohne Werkzeug) durchgeführt

 

 
PZHH Rücksetzen mit Werkzeug
PZHH Rücksetzen mit Werkzeug
  • Baumustergeprüfter Sicherheitsdruckbegrenzer (PZHH, SDBK)
  • Einstellung eines Schaltpunktes
  • >Schaltpunkt wird von Hand unter Hilfenahme eines Werkzeuges zurückgesetzt

Die Schaltpunkte der Druckbegrenzungseinrichtung sind so einzustellen, dass ein Abschalten des Druckerzeugers noch vor dem Auslösen der Druckentlastungseinrichtung sichergestellt werden kann. Wenn ein präzises Einstellen der Schaltpunkte möglich ist, darf die Differenz von 10 % zwischen der Einstellung des Sicherheitsschalteinrichtung (DWK, DBK bzw. SDBK) und der Druckentlastungseinrichtung entsprechend verringert werden. Das ermöglicht eine Optimierung im Maschinendesign und bei der Auswahl von Bauteilen.

Bei herkömmlichen mechanischen Schaltgeräten wird der Druckschaltpunkt meist über eine Einstellspindel durch Schraubendreher oder Drehknopf und Referenz-Manometers eingestellt. Dabei muss der Druck in der Anlage bis zur Schaltschwelle vorsichtig angefahren. Demgegenüber sind elektronische Druckbegrenzer sehr einfach, hochgenau und schnell einstellbar.

Elektronische Sicherheitsdruckbegrenzer

Die ZILA GmbH bietet für die Druckbegrenzung entsprechend der Wirkungsrichtung und Funktion eine Gerätefamilie an, die je nach Typ Druckwächter, Druckbegrenzer und Sicherheitsdruckbegrenzer in einem Gerätegehäuse kombiniert. In der Version DB1000/2 werden dabei Druckbegrenzer und Sicherheitsdruckbegrenzer (PZH + PZHH bzw. PZL + PZLL) und in der Version DW500  Druckwächter und Sicherheitsdruckbegrenzer (PSH + PZHH bzw. PSL + PZLL) zusammengefasst. Da außer den Sicherheitsrelais keine bewegten Teile verbaut sind und somit nahezu kein mechanischer Verschleiß auftritt, zeichnen sich die elektronischen Geräte durch eine hohe Langzeitstabilität und Lebensdauer aus. Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Begrenzern, können Schaltpunkteinstellungen sowie Tests der Schaltfunktion im drucklosen Zustand an der Maschine, aber auch schon im Vorfeld, sehr einfach mittels PC-Software oder Android App durchgeführt werden.

DB 1000 präzise einstellen
DB 1000 präzise einstellen

Hohe Zuverlässigkeit durch fehlersicheres Design

Sicherheitsgeräte müssen in jeder Situation fehlerfrei und zuverlässig funktionieren. Das wird beim elektronischen Sicherheitsdruckbegrenzer zum einen durch seinen redundanten Aufbau und zum anderen durch ein fehlersicheres Gerätedesign erreicht.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, besteht das Gerät im Wesentlichen aus 2 sich gegenseitig überwachenden Microcontrollern, den beiden Sensorzellen und den Sicherheitsrelais. Für die Sicherheitsrelais werden 1 Mio. Schaltspiele unter Nennlast garantiert. Darüber hinaus wird ein Druckwert als 4…20mA Drucksignal für den Anwender zur Verfügung gestellt, sodass jederzeit der Anlagendruck angezeigt und mitprotokolliert werden kann.

Sicherheitsdruckbegrenzer redundanter Aufbau
Sicherheitsdruckbegrenzer redundanter Aufbau

Die baumustergeprüften Geräte sind fehlersicher aufgebaut. D. h. auch bei zwei unabhängig voneinander auftretenden Fehlern wird gewährleistet, dass eine sichere Funktion fortgeführt oder das Ausgangsrelais zuverlässig abgeschaltet wird. Das wird durch spezielle Schaltungsmaßnahmen sowie zusätzliche Überwachungsfunktionen im Gerät erreicht. Z.B. nutzten beim DB1000/2 der Druckbegrenzer (PZH) und der Sicherheitsdruckbegrenzer (PZHH) den jeweils „fremden“ Drucksensor zu einem reziproken Vergleich der Messwerte. Somit können Fehler an den Sensoren sofort erkannt werden. Des Weiteren existieren vom Microcontroller unabhängige Baugruppen (Hardware-Watchdog, Monoflop und Komparator), um Zeitabläufe bzw. die Betriebsspannung ständig zu überwachen. Unterstützt wird dieses Hardware-Design durch die Gerätesoftware, welche neben umfangreichen zyklisch aufgerufenen Prüfroutinen für alle sicherheitsrelevanten Hardwarebaugruppen auch Plausibilitätsprüfungen der Speicher und des Microcontroller-Befehlssatzes beinhaltet.

Größtmögliche Medienkompatibilität, schnelles und präzises Schaltverhalten durch elektronische Druckmesszellen

Die Vielseitigkeit der ZILA Sicherheitsgeräte für die Überwachung und Begrenzung des Drucks in Flüssigkeiten, Gasen und Dämpfen erfordert zum einen höchste Medienkompatibilität sowie zuverlässige Druckmesszellen, die ein schnelles und präzises reagieren auf kritische Situationen  erlauben. Bei den im DB1000 und DW500 eingebauten elektronischen Drucksensoren, erfolgt die Druckaufnahme über eine Edelstahlmembran. Dadurch sind die Geräte für alle Edelstahl kompatiblen Medien auch brennbaren Medien problemlos einsetzbar.

Die Geräte sind für einen Nenndruckbereich von bis zu 500 bar zugelassen und können so auch zum Beispiel für CO2-Anwendungen im transkritischen Bereich verwendet werden. Der modulare Aufbau erlaubt die Auswahl der für den Anwendungsfall optimal geeigneten Druckmesszelle, die wiederum einen Überlastschutz gegenüber Druckspitzen von 2,5 bis zum 4 fachen des Nenndruckes bietet. Die Druckwerte der beiden Sensoren werden aller 5 Millisekunden erfasst und verglichen. Um einzelne Druckspitzen herauszufiltern, können Schaltverzögerungen von 0,1 bis 1 Sekunde eingestellt werden. Die Festlegung der Druckschaltpunkte bzw. Rücksetzpunkte kann auf 0,1 bar genau erfolgen. Somit ist eine stabile und robuste Drucküberwachung bezogen auf die Anlagenanforderungen sehr gut möglich.

Komfortable Inbetriebnahme und Prüfung der Sicherheitsfunktionen mittels Software

Durch ein schnelles und akkurates Einstellen des Druckbegrenzers mittels kostenfreier PC-Software bzw. App, wird nicht nur ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleistet, sondern auch die Aufwände für die Inbetriebnahme der Anlage sowie für die Prüfung der Sicherheitsfunktionen deutlich reduziert.

DB1000 Inbetriebnahme Software
DB1000 Inbetriebnahme und Gerätekonfiguration per Software

Mit der intuitiv bedienbaren Software können Geräteeinstellungen ausgelesen, Druckschaltpunkte konfiguriert, sowie Funktionstests durchgeführt werden. Alle Änderungen werden mitgeloggt. Zusätzlich können diese Einstellungen in der Software gespeichert und so sehr bequem auf andere Geräte übertragen werden.

Der elektronische Sicherheitsdruckbegrenzer der Firma ZILA GmbH bietet aufgrund des exakten und schnellen Einstellens der Grenzwerte, der hohen Schaltgenauigkeit, sowie der Einsetzbarkeit auch bei hohen Drücken und schwierigen Medien neue Möglichkeiten bei der Auslegung der Maschinen und Anlagen. Integrierte Selbsttestfunktionen und die hohe Produktlebensdauer reduzieren Aufwand und Kosten im Vergleich zu mechanischen Geräten.

Autor: Frank Wiedmann, Geschäftsführer der ZILA GmbH in Suhl, verantwortlich für Technik und Vertrieb

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