Erinnern wir uns an die Anforderungen aus dem Risikoszenario und der Auslegung des Schutzsystems: Im R1000 dürfen höchsten 50 l Einsatzstoff-1 vorgelegt werden, der Füllstand darf in diesem Stadium also 50 l bzw. 17 % nicht überschreiten. Wegen der zufälligen Fehler des Messystems liegt der Abschaltgrenzwert bei 15 %. Bei 10 % wird Alarm ausgelöst und der normale Betriebsfüllstand in dieser Phase liegt bei 5 %. Das große Risiko schreibt mindestens zwei Sensoren und zwei Aktoren vor. Der Füllstand soll kontinuierlich gemessen und die Schaltung beim jeweils ungünstigeren Wert ausgelöst werden.
Abb. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Schutzsystems, das diese Anforderungen erfüllt. Grün gezeichnet ist die SPS, bestehend aus einer Eingangsbaugruppe mit zwei Modulen für analoge Eingangssignale AI 1 und AI 2, der Zentralbaugruppe CPU auf der das schwarz gezeichnete Programm läuft und einer Ausgangsbaugruppe mit zwei Modulen für Digitale Ausgangssignale DO 1 und DO 2. An jedes Analogeingangsmodul ist ein Standmessgerät angeschlossen. Das ist wichtig, denn so sieht die praktische Umsetzung von Redundanz aus, indem für jede Messung L1A bzw. L1B – wir sagen, für jeden Sensorkanal der Schutzeinrichtung – separate Bauteile verwendet werden. Wenn ein Bauteil eines Kanals ausfällt, kann der andere immer noch die Sicherheit gewährleisten. Auch die CPU ist redundant aufgebaut, aber das in der Zeichnung darzustellen würde eher Verwirrung stiften. An die Digitalausgänge ist mit gleicher Begründung jeweils ein blau gezeichnetes Ventil V1A bzw. V1B angeschlossen. Insgesamt kann man von diesem System sagen, dass jederzeit irgendwo ein Bauteil ausfallen kann und die Sicherheitsfunktion immer noch funktioniert. Nicht dargestellt sind die internen Schutz- und Kontrollmechanismen der Messgeräte und der SSPS, die jeden Fehler sofort melden bzw. vielleicht sogar direkt die Schutzeinrichtung auslösen.
Das Programm beginnt mit einer Messwert-Auswahl: Da es sich um einen abzusichernden Maximalwert handelt, wird durch den MAX-Baustein aus beiden Messwerten der höhere ausgewählt und weiterverarbeitet. Das Signal wird an zwei COMP-Bausteine übergeben, die als Vergleicher wirken und ihren Ausgang Q in Abhängigkeit des Vergleichs der Eingänge A und B schalten. Physikalisch überträgt das Messgerät den Messwert durch einen eingeprägten Strom, dessen höhe dem aktuellen Wert des Füllstands entspricht. Üblicherweise werden Füllstände von 0 % bis 100 % angegeben und der physikalische Stromwert vom Messgerät ist dann 4 mA bei 0% und 20 mA bei 100 %. In der Analogeingangs-Baugruppe sitzt ein A/D-Wandler, der diesen Strom in einen Digitalwert mit üblicherweise 12 bit Breite umsetzt. Das macht aber die SPS im Hintergrund – der Bediener kann mit intuitiv erfassbaren Größen arbeiten. Der Wertebereich des Messignals liegt zwischen 0 % und 100 %, also sind die Vergleichswerte der Komperatoren auch in % angegeben. Überschreitet der Messwert 10 % wird zunächst Alarm ausgelöst. Überschreitet er 15 %, wird das Signal an die Ausgangsbaugruppe weitergeleitet und führt dazu, dass die Ausgänge abgeschaltet werden. Infolgedessen schließen die Ventile.
Die Sensoren müssen ständig aktiv einen Wert an die SPS übergeben und die Aktoren werden von der SPS ständig aktiv offen gehalten. Das ist ein weiterer wichtiger Sicherheitsaspekt und nennt sich Drahtbruchsicherheit: Jede Unterbrechung der elektrischen Verbindung zu den Sensoren sorgt dafür, dass dieser Kanal automatisch als Fehlerhaft detektiert wird. Das erreicht man, indem das physikalische Messignal von den Sensoren einen lebenden Nullpunkt hat, das also ein Füllstand von 0 % nicht einem Strom von 0 mA entspricht, sondern 4 mA. Unterschreitet der Strom diesen Wert dramatisch, wird die SPS das als Drahtbruch und somit Fehler erkennen. Genauso wird ein zu großer Strom als Kurzschluss und somit Fehler erkennt. Die Grenzen sind nach unten 10 % und nach oben 5 % vom Messbereichsendwert. – das Signal muss sich also die ganze Zeit im Bereich 3,6 mA bis 21 mA bewegen. Das ist das sogenannte NE43-Signal, das in der Prozessindustrie die größte Verbreitung hat.
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