Eigensicherheit in der Prozessindustrie Warum die Zündschutzart Eigensicherheit auch nach 50 Jahren noch modern ist

Anbieter zum Thema

Haus der Technik e.V.

WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG

K.A. Schmersal GmbH & Co. KG

R. STAHL Schaltgeräte GmbH

Die Zündschutzart „Eigensicherheit“ bietet dem Betreiber jede Menge Vorteile und kommt heute von der einfachen Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung bis zur digitalen Automatisierung auf Industrie-4.0-­Niveau zum Einsatz. Worauf der Betreiber bei Projektierung, Installation und Inbetriebnahme achten sollte.

Es ist gut 50 Jahre her, seit die ersten eigensicheren Feldgeräte und die dazugehörigen Sicherheitsbarrieren zum ersten Mal in Anlagen der Prozessindustrie zum Einsatz kamen. Die Technik wandelte sich über die Jahre – aber die typischen Signale wie das analoge 4…20 mA-Signal kommen nach wie vor zum Einsatz.

Die Vielfalt und Bandbreite der Anwendungen nahm kontinuierlich zu. Mittlerweile ist die Schutzart Eigensicherheit (Ex i) weit verbreitet, sicher auch weil das Schutzprinzip inhärente Sicherheit schafft und viele Installationsvarianten erlaubt. Im Kern geht es darum, die Energiemenge in einem Stromkreis auf ein nicht-zündfähiges Maß zu begrenzen, sodass Funken oder thermische Effekte keine Zünd­quellen mehr darstellen.

Bildergalerie

Dossier Ex-Schutz/Sicherheitskonzepte

Ex-Schutz und Sicherheitskonzepte in der Prozessindustrie

Bereits seit mehreren Jahrzehnten sind eigensichere Feldbus-Ausführungen von Profibus DP und Modbus RTU vor allem zur Vernetzung von Remote I/O, Bedienterminals und Analysegeräte in Betrieb. Für die digitale Kommunikation bis zum Feldgerät haben sich überdies Ex i-geschützte Feldbusinstallationen mit Profibus PA oder Foundation Fieldbus H1 etabliert. Selbst vor der Funktechnik machte die Entwicklung nicht halt – hier erlaubt die Eigensicherheit den flexiblen Einsatz von Antennen.

Aktuell geht die Entwicklung in Richtung eigensicherer Lösungen für Industrial Ethernet. Um die Entwicklung international akzeptierter eigensicherer Ethernet-Konzepte voranzutreiben, engagiert sich R. Stahl in der Arbeitsgruppe des Advanced Physical Layer-Projekt (APL) sowie in der Intrinsically Safe Ethernet Working Group.

Die richtigen Geräte auswählen

Im Rahmen der Projektierung werden die Geräte auf Basis der Zoneneinteilung und der zu erwartenden Eigenschaften der explosionsfähigen Atmosphäre (Temperaturklasse, Explosionsgruppe) ausgewählt. Dieser Teil unterscheidet sich nicht wesentlich von der Vorgehensweise beim Einsatz von Betriebsmitteln, die auf andere Zündschutzarten zurückgreifen.

Eine Besonderheit ist jedoch, dass bei einer elektrischen Verbindung zwischen einem eigensicheren Feldgerät und dem Automatisierungssystem in der Regel ein Gerät erforderlich ist, das den eigen­sicheren Stromkreis vom „normalen“ Stromkreis trennt. Das bedeutet: Es müssen zwei Geräte auf­einander abgestimmt werden.

Eigensicherheit vor Inbetriebnahme nachweisen

Vor Inbetriebnahme eines eigensicheren Stromkreises ist gemäß DIN EN 60079-14 der so genannte Nachweis der Eigensicherheit zu führen, um sicherzustellen, dass Quelle, Kabel und Verbraucher die Anforderungen der Norm in Zusammenschaltung erfüllen. Für den Nachweis werden die Werte für Spannung, Stromstärke und Leistung sowie die Energiespeicher mit ihren Kapazitäten und Induktivitäten beurteilt. Sofern die Ausgangswerte der Quelle für Spannung, Stromstärke und Leistung (Uo, Io, Po) die Eingangswerte des angeschlossenen Verbrauchers (Ui, Ii, Pi) nicht übertreffen und die angeschlossenen Kapazitäten und Induktivitäten von Verbraucher (Ci, Li) und Kabel (Cc, Lc) die Grenzwerte von Co und Lo nicht überschreiten, lässt sich der Nachweis der Eigensicherheit einfach erbringen.

Nachweis der Eigensicherheit immer dokumentieren

Dieser Nachweis muss dokumentiert werden. Die Werte für den Nachweis finden sich in der Betriebsanleitung der jeweiligen Geräte. Für das Kabel können die Werte dem Datenblatt entnommen werden oder exemplarische Werte aus der Norm zum Einsatz kommen. Die endgültigen Werte für das Kabel ergeben sich aus der Länge.

Etwas schwieriger gestaltet sich der Nachweis bei Verbrauchern mit gleichzeitig wirksamen Induktivitäten Li und Kapazitäten Ci. Unter solchen Umständen können Anwender entweder auf für diesen Fall bescheinigte Werte der Quelle zurückgreifen oder gemäß einer so genannten 50 %-Regel die Grenz­werte für Co und Lo halbieren. Besonders komplexe Einzelfälle – beispielsweise mit aus mehreren Quellen gespeisten Stromkreisen – machen detaillierte Berechnungen erforderlich, die R. Stahl auf Anfrage als Dienstleistung durchführt sowie Anwendern in seinen Fachseminaren zum Thema Eigensicherheit vermittelt.

Sonderfall: einfache Betriebsmittel

Beim Schutzkonzept der Eigensicherheit können bestimmte, als „einfach“ geltende Betriebsmittel ohne EU-Baumusterprüfbescheinigung eingesetzt werden. Bei dieser Option ist allerdings Vorsicht geboten, weil sie eine gründliche eigene Bewertung solcher Geräte und Bauteile wie Schalter, LEDs, Thermoelemente oder Pt100-Widerstandsthermometer gemäß IEC EN 60079-0 und 60079-11 voraussetzt. Je nach Bauart müssen hierbei Faktoren wie Erwärmungsverhalten, Isolation gegenüber Erde, IP-Schutz u.v.m bewertet sowie das Ergebnis der Bewertung schriftlich festgehalten werden. Auch hier unterstützt R. Stahl die Branche mit normkonformen Begutachtungen und Bewertungen einfacher Betriebsmittel.

Eigensichere Installationsvarianten

Zu den zentralen, in der IEC EN 60079-14 formulierten Installationsanforderungen für eigensichere Stromkreise zählt der Schutz vor dem Eindringen zusätzlicher Energie etwa durch Induktion von Schaltspannungen oder andere elektromagnetische Kopplungen. Neben der korrekten Kennzeichnung und Verlegung von Kabeln und Adern sind daher Trennabstände zwischen elektrisch leitenden Teilen von eigensicheren und nicht-eigensicheren Stromkreisen zu berücksichtigen.

Inhärent sichere Lichtwellenleiter

Für die Übertragung von digitalen Signalen über lange Übertragungswege bietet sich eine Glasfaserverkabelung als Alternative zu Kupferleitungen an. Mit Lichtwellenleitern lassen sich je nach verwendeter Glasfaser Entfernungen bis 30 km sehr störsicher überbrücken. Zum Einsatz im Ex- Bereich stehen mehrere Zündschutzarten zur Verfügung. Die inhärent sichere Strahlung (Ex op is) ähnelt in seinen Grundzügen sehr der Eigensicherheit. Mit dieser Zündschutzart wird die potenziell zündfähige optische Energie auch unter Fehlerbedingungen auf ein nicht-zündfähiges Niveau begrenzt. Da die Ex-geschützten Lichtwellenleiter während des laufenden Betriebs im explosionsgefährdeten Bereich verbunden und getrennt werden können, sind Installations, Umbau- und Wartungsarbeiten unkompliziert und kostengünstig zu bewerkstelligen.

Eigensicherheit für Wireless im Ex-Bereich

Insbesondere bei temporären Installationen, der Nachrüstung bestehender Netzwerke und zum Datenaustausch mit mobilen Endgeräten stellt die Funkkommunikation eine probate Lösung dar. Auf Basis eines breiten Sortiments an Gehäusesystemen und Komponenten fertigt R. Stahl applikationsgerechte Lösungen, mit denen sich konventionelle WLAN Access Points und andere Netzwerkkomponenten in kurzer Zeit für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ertüchtigen lassen. Außerdem gibt es mit dem HF Isolator der Serie 9730 eine Lösung, die das Funk­signal in ein eigensicheres Signal umwandelt, um Geräte mit Funk­übertragung auch im Ex-Bereich mit jeder beliebigen industrietauglichen Antenne zu betreiben.

Explosionsgeschützte IP-Kommunikation

Die Vorteile von Ethernet auch im Ex-Bereich nutzen

Einfaches Handling, das hohe Schutzniveau und vielfältige In­stallationsmöglichkeiten machen die Eigensicherheit zur unverzichtbaren Zündschutzart für die Prozessautomatisierung und Datenkommunikation im explosionsgefährdeten Bereich. Mit Ex i-geschützten Lösungen von der einzelnen Trennstufe über I/O-Systeme bis zur Bus-Vernetzung und Ethernet-Kommunikation bietet R. Stahl ein breites Portfolio für das gesamte Anwendungsspektrum. Überdies projektiert und installiert der Ex-Schutz-Spezialist maßgeschneiderte Lösungen und unterstützt die Anlagenbetreiber beim normenkonformen Nachweis der Eigensicherheit.

* * Der Autor ist Senior Product Manager bei R. Stahl, Waldenburg. Kontakt: Tel. +49-7942-943-0

(ID:46685434)