Hybride Lösung

Elektro-pneumatische Systeme in Ex e-Gehäusen zur Installation in Zone 1

Als Energieträger ist Druckluft ein elementarer Bestandteil für die moderne Prozessautomation. Seit einigen Jahren ist zu beobachten, dass Pneumatik und Elektronik immer mehr zusammenwachsen. Diese Entwicklung setzt sich auch bei Geräten zur Verwendung in Ex-Bereichen durch. Ex-Remote-IO-Systeme mit pneumatischen Ausgängen stellen jedoch für den klassischen Schaltschrankbau eine Herausforderung dar. * Werner Bennek

Stellt man Pneumatik und Elektronik in einem Schaltschrank zusammen, wird man gelegentlich noch auf den Abschnitt 12.2.2 der DIN EN 60204-1 verwiesen, in dem empfohlen bzw. beschrieben ist, dass Magnetventile von der übrigen elektrischen Ausrüstung getrennt werden sollten.

Schaut man einige Jahr zurück, so sind die Gründe für diese Empfehlung verständlich. Früher wurde Druckluft nur unzureichend oder überhaupt nicht getrocknet. Damit das Kondenswasser im Druckluftnetz, den Ventilen und in der Aktorik nicht zuviel Schaden anrichtete, fügte man der Luft noch Öl hinzu. Bei Leckagen am Ventilblock hatten solche Wasser-Öl-Gemische für die Elektronik fatale Folgen. Sieht man die technische Entwicklung der vergangenen Jahre in den Unternehmen und die Druckluftnetze heute an, so findet man im Allgemeinen Druckluftqualitäten mit einem Drucktaupunkt von weniger als -20°C (~ einer Restfeuchte von 0,88g/m³) und einem Restölgehalt von weniger als 1mg/m³ (ISO 8573-1; Klasse3). Speziell in Bereichen der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie und auch Pharmazie darf man heute von um nochmals ein bis zwei Zehnerpotenzen besseren Luftqualitäten ausgehen.

Unzulässige Schaltzeiten durch zu große Distanzen

Einige Anwender nahmen dies bereits zum Anlass, ihre Abluft nicht über Schläuche oder Rohre aus dem Schaltschrank, sondern ganz bewusst in den Schrank zu führen, um Feuchtigkeit oder aggressive bzw. staubhaltige Umgebungsluft aus dem Inneren des Schrankes fernzuhalten. Eine Druckentlastung des Gehäuses über Klimastutzen oder andere Belüftungselemente ist dabei selbstverständlich. Elektrische IO-Systeme mit der Option pneumatischer Ausgänge sind für den sicheren Bereich und auch für die Zone 2 seit Jahren auf dem Markt und werden von den Anwendern akzeptiert. Derartige elektro-pneumatische Systeme bilden Knotenpunkte, welche eine Vielzahl unterschiedlicher elektrischer Signale und pneumatische Ausgänge über eine Bus-Schnittstelle mit dem übergeordneten Automatisierungssystem (SPS, Leitwarte) verbinden.

Für die Installation in explosionsgefährdeten Umgebungen der Zone 1 gibt es nun auch eine solche hybride Lösung. Diese basiert auf der Simatic ET 200iSP und AirLine Ex Typ 8650 und lohnt im Schaltschrankbau besonderer Beachtung. In der Regel erfolgt die pneumatische Ansteuerung von Zylindern und Prozessventilen in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 1 entweder über Ex-geschützte Ventile, die als Einzelventil direkt an den Aktor (Namurflanschbild) montiert sind, oder über Ex-geschützte Ventilblöcke, welche über Stammkabel auf das Remote-IO verdrahtet sind. Die pneumatische Ansteuerung aus dem sicheren Bereich heraus ist in der Fabrikautomation eine weitere Alternative, doch in der Prozessautomation in den meisten Fällen nicht möglich. Zu große Distanzen zwischen den Ventilen und der Aktorik und dadurch entsprechend große Schlauchlängen lassen die Schaltzeiten der Aktoren für die Anwendung unzulässig werden.

Nah am Prozess durch integrierte Pneumatik in Ex-IO-Systeme

Die in explosionsgeschützten IO-Systemen integrierte Pneumatik wird sowohl von Planern als auch Anwendern besonders begrüßt, weil sie sich prozessnah installieren lässt. Doch ist dies nicht der einzige Grund, der für eine solche Kombination spricht. Weitere Vorteile dieser Lösung sind:

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verringerter Verdrahtungsaufwand;
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kompaktere Bauform;
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vereinfachte Dokumentation;
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Nachweis der Eigensicherheit für die Ventile ist gegeben;
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geringere Stromaufnahme und dadurch geringere Abwärme;
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Kostenersparnis.

Elektrische Geräte, die in der Zone 1 installiert werden sollen und deren Stromkreise nicht eigensicher sind, müssen mindestens der Schutzart IP54 nach EN 60529 entsprechen.

So fordert es die EN 60079-7 in Abschnitt 4.10.1. Und das gilt auch für ET200iSP und AirLine Ex. Für den Einbau in einen Schaltschrank sind nachfolgend einige der wichtigsten Punkte genannt, die immer berücksichtigt werden müssen: Die Einhaltung der Schutzart IP 54 klingt zunächst nicht dramatisch; heißt es doch nur Staubgeschützt und Schutz gegen Spritzwasser. Doch nach DIN EN 60079-0 Abschnitt 26.4.5.1 ist ein Schaltschrank definiert als ein Kategorie-1-Gerät. Diese Angabe der Kategorie bezieht sich jedoch auf die EN 60529 Abschnitt 13.4 und nicht auf die Atex-Richtlinie. Daraus folgt für die Staubprüfung IP5x, dass der Innenraum des Prüflings für die Dauer der Prüfung mit einem definierten Unterdruck betrieben wird, wie man es normaler Weise nach der EN 60529 nur für IP6x erwartet hätte. Bei ausschließlicher Verwendung von Ex e bescheinigten Komponenten für Montagen durch die Gehäusewand ist eine explizite Prüfung nicht erforderlich, wenn sie bereits als IP54-Komponente oder besser bescheinigt sind. Kommen nicht-bescheinigte Teile ins Spiel, wie es in unserem Fall mit den fluidischen Verschraubungen war, so ist für diese die mechanische Schlagprüfung mit sieben Joule und danach die IP-Prüfung (IP54) obligat. Ein weiterer zu beachtender Aspekt ist die Kennzeichnung eigensicherer Stromkreise. Nach der EN 60079-11 Abschnitt 12.2 ist es zwingend erforderlich, dass eigensichere Anschlussteile, wie Klemmen oder Stecker eine eindeutige Kennzeichnung erhalten, um sie von nicht-eigensicheren Stromkreisen zu unterscheiden. Hierfür wird üblicherweise die Farbe hellblau verwendet. Zudem ist wichtig, die Mindestabstände zwischen Ex i- und Ex e-Kreisen einzuhalten. Werden Ex-bescheinigte Klemmen verwendet, so sind diese immer so konstruiert, dass sie die Mindestabstände einhalten, wie sie für zwei eigensichere oder auch zwei nichteigensichere Stromkreise gefordert sind. Beim Aufbau von Klemmleisten, auf denen eigensichere und nichteigensichere Stromkreise parallel geführt werden, muss der Hersteller bei der Montage selbst darauf achten und sicherstellen, dass blanke spannungsführende Teile der unterschiedlichen Stromkreise im Abstand von 50mm (Fadenmaß) aufgebaut werden. Beim Einbau eines elektrischen Gerätes in den Schaltschrank spielt auch die Eigenerwärmung eine wichtige Rolle. Die Einbauten eines Schaltschrankes sind jede für sich für eine Temperaturklasse bei einer entsprechenden Umgebungstemperatur zugelassen. Werden sie bei höheren Umgebungstemperaturen betrieben, so kann es durchaus sein, dass sie über Jahre ohne Beeinträchtigung ihrer Funktionen arbeiten, jedoch in Bezug auf den Explosionsschutz ein Sicherheitsrisiko darstellen. Ein Beispiel dient der Verdeutlichung: Eine elektrische Komponente mit einer Verlustleistung von fünf Watt kann beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 50°C die Temperaturklasse T4 einhalten. Das heißt die Oberflächen des Gerätes, mit welcher die zündfähige Atmosphäre in Berührung kommen kann, wird nicht heißer als 135°C. Erhöht sich für diese Komponente bei sonst gleichen Betriebsbedingungen die Umgebungstemperatur auf 60°C, so wird auch die Oberflächentemperatur dieser Komponente um zehn Kelvin auf 145°C ansteigen, um die entstehende Verlustleistung über Konvektion oder Strahlung an die Umgebung abzugeben. Für den Schaltschrankbau bedeutet dies, dass

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bereits bei der Projektierung die im Schaltschrank entstehende Verlustleistung mit der Oberflächengröße des Gehäuses, der maximalen Umgebungstemperatur der „schwächsten eingebauten Komponente“ und der am Ort der Installation maximalen vorherrschenden Umgebungstemperaturen abgestimmt sein sollte;
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nach Aufbau des Schrankes eine Temperaturmessung in der Nähe der „schwächsten eingebauten Komponenten“ erfolgen muss.

Wie sich dabei leicht herausstellt, ist die Definition von Umgebung für enge Installationsräume eher etwas für Philosophen als für Elektrotechniker.

Konzentration aufs Kerngeschäft durch zertifizierte Teilsysteme

Ein letzter Aspekt für den Schaltschrankeinbau ist die Analyse des Gesamtsystems nach möglichen Zündquellen auch unter Annahme eines Fehlers. Auch wenn in Ex-Systemen nur bereits zugelassene und geprüfte Komponenten zum Einsatz kommen sollten, so muss doch das Gesamtsystem sorgfältig nach möglichen neu gebildeten Gefahrenquellen untersucht werden. Wie verhält es sich beispielsweise mit dem IP-Schutz des Gehäuses, wenn im Inneren ein Schlauch abreißt? Oder dürfen die Ventile tatsächlich noch mit Vakuum betrieben werden, obwohl der Anwender seinen Schlauch vom Ventil doch bis in die Zone 0 geführt hat? Zertifizierte Teilsysteme gewinnen im Anlagen- und Maschinenbau immer mehr an Bedeutung, da sie den Planern, Kontraktoren und auch den Endanwendern den nötigen Freiraum verschaffen, sich auf ihr Kerngeschäft zu konzentrieren.

Geht man einfach davon aus, dass bei Komponenten oder Systemen für den Einsatz im Ex-Bereich die Dokumentation, welche für den Hersteller bzw. den Lieferanten quasi eine Lebensversicherung darstellt, vollständig, eindeutig oder überhaupt vorhanden ist, so wird man in der Realität nur allzu oft das Gegenteil gelehrt. Einige am Markt verfügbare Lösungen erfüllen leider nicht einmal die Mindestanforderungen. Gerade bei Systemen für den Ex-Bereich gewinnt die Dokumentation an Bedeutung und der Aufwand hierfür steigt erheblich. Leider steigt in gleichem Maße auch die Fehlerrate und auch die menschliche Neigung zu Nachlässigkeiten wird merklich größer. Doch kann man nicht immer Fahrlässigkeit oder Sorglosigkeit als Fehlerursache unterstellen. Auch die Anforderungen der Normen sind in der Praxis häufig nicht nachvollziehbar und doch lassen sie in vielen Fällen einen allzu großen Interpretationsspielraum, den es dann mit Kunden, Lieferanten und letztlich oft auch mit einer oder auch mehreren Zulassungsstellen zu diskutieren gilt. Mein Rat an den Anwender lautet deshalb: Genauer hinschauen & nachfragen, nachfragen und nochmals nachfragen.

Dieser Beitrag als PDF und weiterführende Informationen (ähnliche Beiträge, technische Daten, Direktlinks zum Hersteller etc.) sind online verfügbar auf www.PuA24.net

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