In vielen Bereichen der Prozessautomation müssen Signale an Schaltgeräte übermittelt werden, die an mobilen, zum Beispiel rotierenden Komponenten installiert sind oder sich an schlecht zugänglichen Anlagenteilen befinden. Dies betrifft auch Zonen, in denen die Anforderungen des Explosionsschutzes zu berücksichtigen sind. Hier wie auch in allen anderen Bereichen soll die Signalübertragung einfach, flexibel, kostengünstig, verschleißfrei und mit hoher Zuverlässigkeit erfolgen. Bisher verwendete man für diese Aufgabe mangels Alternativen kabelgebundene Techniken, häufig in Kombination mit verschleißbehafteten Zusatzkomponenten wie Drehdurchführungen und Kabelschleppeinrichtungen. Oder man setzte Wireless-Lösungen ein, die aber nur auf die Signalleitung und nicht auf die kabelgebundene Energieversorgung verzichten. Schließlich gibt es batteriegestützte Wireless-Technologien, die jedoch – in Abhängigkeit von der Art der Da-tenübertragung – sehr service-intensiv sein können. Hier herrschte also Bedarf, und es war naheliegend, sich einer Technologie zu bedienen, die sich im rauen Industrieeinsatz und in der Gebäudetechnik bereits bewährt hat. In diesen Einsatzfeldern können die Anwender auf Schaltgeräte zurückgreifen, die nach dem Prinzip des Energy Harvesting arbeiten. Diese Schalter übertragen die Signale kabellos an die zugeordneten Empfangseinheiten und benötigen darüber hinaus keine Energiezuführung und keine Batterie. Denn sie sind mit einem elektrodynamischen Energiegenerator ausgestattet. Er wandelt die kinetische Energie, die beim Betätigen des Schalters frei wird, in elektrische Energie um. Die geringe Energiemenge reicht aus, ein Funksignal von hoher Übertragungssicherheit an die Empfangseinheit zu senden. Dieses „Energy Harvesting“ – sprich: das „Ernten“ von Energie aus der Umgebung – schafft somit die Voraussetzung dafür, die entsprechenden Signale an die zugeordnete Empfangseinheit zu senden, ohne dass man ein Kabel oder eine Batterie benötigt. Eine 100 mm lange Antenne am Schaltschrank empfängt die Signale und leitet sie weiter. Die Codierung der Signale über eine individuelle 32-Bit-Identifikationsnummer erlaubt eine eindeutige Zuordnung, sodass mehrere Geräte in einem Funkbereich arbeiten können – bei Reichweiten bis etwa 300m im Außenbereich und 30m in Gebäuden.Da die Funktechnik-Platine inklusive Sendeeinheit und auch der elektrodynamische Energiegenerator als Module konstruiert wurden, lassen sich vorhandene Schaltgeräte-Baureihen mit dieser innovativen Technologie ausstatten. Dem An-wender stehen unter anderem mehrere Bauformen von Positionsschaltern, Zugschaltern, Seilzugschaltern und Fußschaltern zur Verfügung. Zudem gibt es Bedieneinheiten, die sich flexibel mit unterschiedlichen Elementen bestücken lassen und die ebenfalls ohne Kabel und ohne Batterie auskommen. Dieser neue Wireless-Standard lässt sich jetzt auch in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzen, da er nach Atex- und IECEx-anforderungen zertifiziert ist. Die Schalter sind in die Zündschutzart „eigensicher“ eingruppiert und gemäß EN 60097-11 für das Schutzniveau ib ausgelegt. Damit können sie normgerecht in Gas-Ex-Zone 1 eingesetzt werden. Für die Verwendung in Staub-Ex-Zone 21 wurden sie gemäß EN 61241-11 ebenfalls für die Zündschutzart „eigensicher“ konzipiert. Die EG-Baumusterprüfbescheinigung einer benannten Stelle wurde erteilt.
Förderpumpe in der Verladestation
Zu den ersten Anwendern der neuen Technologie gehörte der Betreiber einer Raffinerie. An den Lkw-Verladestationen der Kraftstoff-Abfüllung sollte sichergestellt werden, dass die Förderpumpe erst dann zugeschaltet werden kann, wenn sich der Füllstutzen des Verladearms genau über der Tanköffnung des Tankwagens befindet. Eine leitungsgebundene Lösung bewährte sich hier nicht, denn die ständige Bewegung der Kabel und die Versprödung durch Benzin ließen die Anschlusslei-tung nach relativ kurzer Zeit brechen. Die Raffinerie entschied sich daraufhin für den Einsatz von kabellosen, energieautarken Ex-Positionsschaltern mit einem Rollendrehhebel als Betätiger. Sie senden das Signal an einen ebenfalls ex-geschützten Schaltschrank, in dem die Empfangseinheit untergebracht ist. Diese Lösung bewährt sich seit der Inbetriebnahme – ohne Ausfälle.
Abfrage der Ventilstellung
Ebenfalls um die Überwachung von Ventilstellungen ging es in einem weiteren Anwendungsbeispiel. An den manuell verstellbaren Ventilen einer Gaspumpstation sollte die Stellung einer Scheibe abgefragt werden, die sich auf dem Ventilkopf befindet und sich synchron zur Ventilstellung bewegt. Um dies zu gewährleisten, wurden zwei kabellose Positionsschalter am Ventilkopf angebracht, die über eine Nocke jeweils die „Geöffnet“- und die „Geschlossen“-Stellung des Ventils detektieren. Das Signal kann ausgewertet und beispielsweise an einer Leitwarte angezeigt werden. Da die Ventile selbst ohne Stromversorgung auskommen, war an dieser Stelle der Pumpstation keine Stromversorgung vorhanden, und ihre Installation wäre deutlich teurer gewesen als die Positionsschalter selbst. Daher konnte der Anwender dank der Wireless-Ex-Technik hier Kosten sparen, wenn man den Installationsaufwand mitberücksichtigt.
Dockingsystem am Tankwaggon
Ebenso eindeutig ist der Vorteil der kabellosen Signalübertragung bei der Tankwaggonverladung einer Raffinerie. Die Waggons werden hier von einem Satellitenfahrzeug zur Ladestelle transportiert. Dieses Fahrzeug ist auf einem zweiten, innerhalb des Schienenbetts verlegten Schienensystem unterwegs. Es fährt unter den Waggon, dockt dort an und transportiert den Waggon über eine Distanz von bis zu 70 Metern zur gewünschten Position im Verladebahnhof. Ein Ex-Positionsschalter sorgt dafür, dass das Fahrzeug seine exakte Position unter dem Waggon erkennt. Der Schalter wird von einem Mitnehmer am Satellitenfahrzeug betätigt, sobald dieser die Vorderachse des Tankwaggons durchfahren hat. Das autonome Fahrzeug stoppt dann und koppelt sich an den Waggon an, indem es zwei Mitnehmerrollen ausfährt, die hinter die erste Doppelachse des Waggons greifen. Dieses elegante Prinzip ließ sich dank der Wireless-Ex-Technik verwirklichen, ohne dass man Schleifleitungen oder Kabelschleppeinrichtungen für die Positionsübermittlung des Fahrzeugs benötigt.
Fazit: Energy Harvesting passt in den Ex-Bereich
Zusammenfassend kann man feststellen, dass die Technologie des „Energy Harvesting“ in Ex-Bereichen nochmals mehr Vorteile bietet als in den bereits etablierten Anwendungsfeldern der Industrieautomation und der Gebäudetechnik. Der Verzicht auf Batterien spart Kosten, denn die Wartung von Geräten in Ex-Bereichen kann nur von entsprechend qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Zudem erlaubt die kabellose Signalübertragung den Verzicht auf zusätzliche Ex-Schutz- Komponenten wie Kabelverbindungen und Steckverbinder. Und die Schaltgeräte können – ganz ohne Kabel – aus dem Ex-Bereich „herausfunken“. Der Anwender muss somit keine aufwändige ex-geschützte Gehäusetechnik für die Empfangseinheit einsetzen. Aus diesen Gründen hat sich die Wireless-Ex-Technologie schnell in der Praxis etabliert.☐
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