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Eigensicherheit und druckfeste Kapselung ein unmögliches Team im Explosionsschutz?
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Sonderdruck aus
»atp – Automatisierungstechnische Praxis«
Jahrgang 42 · Heft 3 · 2000
WA 89 DE
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Verfasser:
Dipl.-Ing. Guido König
Prof. Dr.-Ing. Heinfried Hoffmann
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Eigensicherheit und druckfeste Kapselungein unmögliches Team im Explosionsschutz?
Dipl.-Ing. Guido König und Prof. Dr.-Ing. Heinfried Hoffmann
SAMSON AG, Frankfurt/Main
Der zunehmende Einsatz digitaler Feldgeräte in der Prozessautomatisierung entfacht erneut die Diskussion nach der optimalen Zündschutzart für die Instrumentierung im explosionsgefährdeten Bereich. Die hohe Anzahl elektrischer Bauteile in
mikroprozessorbasierten Geräten verändert den Aufwand pro Feldgerät für den Explosionsschutz. Am Beispiel Stellungsregler für pneumatisch betätigte Stellventile werden unterschiedliche Realisierungskonzepte aufgezeigt.
Intrinsic safety and flameproof enclosure an impossible team in explosion protection?
In process engineering, measuring and control equipment is frequently used in processes in which flammable gases, vapors or steam could escape from closed systems to the environment where they become explosive in certain ratios of mixture with oxygen. The electrical apparatus used in measurement and control technology can cause explosive atmosphere to
ignite which must be prevented by the appropriate explosion protection measures. There are basically two types of measures: primary explosion protection measures which prevent the formation of hazardous or explosive atmospheres and secondary explosion protection measures which prevent the ignition of these hazardous and explosive atmospheres. Electrical apparatus with integrated secondary explosion protection features is required for all those applications where primary
measures cannot be applied or can only be applied insufficiently. The design of the explosion-protected electrical apparatus must be in accordance with the so-called type of protection as per contruction regulations of the applicable standards
(e.g. EN 50014 ff. in the European Union). Since the different types of protection can be practically considered the same
as regards the safety, a device’s actual type of protection depends on the function and the type of electrical apparatus as
well as how economical the design is.
1. Einleitung
In der Verfahrenstechnik werden Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen (MSR) häufig in Prozessen eingesetzt, in denen
brennbare Gase, Dämpfe oder Nebel aus den geschlossenen
Systemen an die Umgebung gelangen können und damit in bestimmten Mischungsverhältnissen mit dem Sauerstoff der Luft
explosionsfähig sind. Die elektrischen Betriebsmittel der MSRTechnik können eine Entzündung dieser explosionsfähigen Atmosphäre verursachen, welches durch geeignete Maßnahmen
des Explosionsschutzes zu verhindern ist. Grundsätzlich können
primäre Explosionsschutzmaßnahmen, die eine Bildung gefährlicher, explosionsfähiger Atmosphären verhindern und sekundäre Explosionsschutzmaßnahmen, die eine Entzündung
dieser gefährlichen, explosionsfähigen Atmosphären verhindern, unterschieden werden. Elektrische Betriebsmittel mit integrierten sekundären Explosionsschutzmaßnahmen sind dort
notwendig, wo primäre Maßnahmen nicht bzw. nur unzureichend anwendbar sind. Diese elektrischen explosionsgeschützten Betriebsmittel müssen nach den Baubestimmungen der jeweils gültigen Normen (beispielsweise Reihe EN 50014 ff für
den Bereich der Europäischen Gemeinschaft) in einer sogenannten Zündschutzart ausgeführt werden. Da die verschiedenen Zündschutzarten sicherheitstechnisch in der Praxis als
gleichwertig zu betrachten sind, ist die realisierte Zündschutzart
eines Gerätes von Funktion und Art des elektrischen Betriebsmittels und der Ökonomie der Umsetzung abhängig.
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2. Zündschutzarten in der Mess-, Steuer- und
Regeltechnik
Für Betriebsmittel der Mess-, Steuer- und Regeltechnik werden
insbesondere die beiden Zündschutzarten Druckfeste Kapselung “d” und Eigensicherheit “i” zur Anwendung gebracht.
Vom Prinzip her unterscheiden sich die vorgenannten Zündschutzarten jedoch grundsätzlich. Bei der druckfesten Kapselung sind die elektrischen Geräte, die eine explosionsfähige Atmosphäre zünden können, in ein Gehäuse eingeschlossen, welches einer Explosion im Inneren standhält, und eine Übertragung der Explosion auf die das Gehäuse umgebende Atmosphäre verhindert. Die Zündschutzart Eigensicherheit wird auf
der Basis einer Spannungs- und Strombegrenzung für den jeweiligen Stromkreis realisiert, womit dessen Energie so eingeschränkt ist, dass weder Funken noch unzulässig hohe Oberflächenerwärmung der elektrischen Bauteile eine Zündung der
umgebenden Atmosphäre auslösen können. Beide vorgenannten Zündschutzarten besitzen neben Vorteilen, die direkt für die
Betriebsmittel genutzt werden, auch systembedingte Nachteile,
die je nach Feldgerät jedoch auf ein Minimum reduziert werden
können.
Sonderdruck aus atp 42 (2000) Heft 3
3. Flexible Gerätekonzepte
Für die Gerätehersteller war und ist es vorrangiges Ziel ein Gerätedesign zu realisieren, dass mit Einheitlichkeit, Modularität
und weitgehend identischen Ersatz- und Verschleißteilen den
Anwender in der Wahl der Zündschutzart nicht einschränkt.
Am Beispiel eines elektropneumatischen, analogen Ventilstellungsreglers sei verdeutlicht, dass mit dem heutigen anerkannten Stand der Technik trotz der grundsätzlich verschiedenen
Prinzipien in den Zündschutzarten ein Gerätekonzept mit den
vorgenannten Zielen erreicht werden kann. Das Grundelement
bildet ein kompakter pneumatischer Stellungsregler.
Diese Eigenschaft kann nun ebenfalls für die Zündschutzart
Druckfeste Kapselung vorteilhaft verwendet werden, da nicht
der gesamte Stellungsregler, sondern lediglich das i/p-Umformermodul als einziges elektrisches Bauteil mit einer druckfesten
Kapselung versehen werden muß.
Mit einem relativ kleinem, direkt angeflanschten, druckfesten
i/p-Umformer bleibt der Stellungsregler sehr kompakt und
preislich attraktiv.
Der besondere Vorteil der Eigensicherheit als einziger Zündschutzart, bei der im explosionsgefährdeten Bereich Öffnen der
Betriebsmittel und Arbeiten unter Beibehaltung der elektrischen
Versorgung zulässig sind, kann mit dem vorbeschriebenen
p
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Bild 1: Stellventil mit kompaktem pneumatischem Stellungsregler
Für die elektrische Ansteuerung muß lediglich ein i/p-Umformermodul eingebaut werden, welches als Grundlage für die
Zündschutzart Eigensicherheit besonders leistungsarm ausgeführt werden kann, da der interne Stellungsregelkreis rein pneumatisch realisiert wird.
Bild 2a: Elektropneumatischer Stellungsregler, Ansicht
Sonderdruck aus atp 42 (2000) Heft 3
Bild 2b: Elektropneumatischer Stellungsregler, Wirkbild
Gerätekonzept fast vollständig für das druckgekapselte Gerät
übernommen werden, da das pneumatische Stellungsreglermodul zugänglich bleibt. Ein Vorteil der Zündschutzart Druckfeste
Kapselung, die Übertragung praktisch beliebiger elektrischer
Leistung, wird für das beschriebene Stellungsreglerkonzept
nicht benötigt.
Bild 3: Druckfest gekapselter elektropneumatischer Stellungsregler
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4. Digitale Feldgeräte
Mit dem zunehmenden Einsatz mikroprozessorbasierter Baugruppen zur Signalverarbeitung in Feldgeräten ergeben sich
neue Herausforderungen im Hinblick auf den Explosionsschutz.
Trotz der erheblich größeren Anzahl eingesetzter elektrischer
Bauteile, konnte die Leistungsaufnahme vieler digitaler Feldgeräte in der Größenordnung der bisherigen analogen Geräte
realisiert werden. Neben der Kompatibilität zu bisherigen Einund Ausgabebaugruppen kann damit die Zündschutzart Eigensicherheit wiederum sehr leicht umgesetzt werden. Mit der “Digitalisierung” der Feldgeräte ergibt sich jedoch zwangsläufig
ein erhöhter Aufwand für Geräte in der Zündschutzart Druck-
Bild 4: Druckfest gekapselter digitaler Stellungsregler
feste Kapselung. Eine Auslagerung lediglich der elektrischen
Bauteile in ein druckgekapseltes Gehäuse, wie für den analogen Stellungsregler beispielhaft beschrieben, rechnet sich aufgrund des hohen Anteils der Elektronik im Feldgerät in vielen
Fällen nicht, insbesondere wenn elektrische Wegmesstechnik
mit in die Zündschutzart Druckfeste Kapselung einbezogen werden muss. Derartige Lösungen sind bei angelsächsischer Instrumentierungsgewohnheit üblich. Daher bieten viele Hersteller
aus den USA Geräte an, bei denen lediglich die pneumatische
Endstufe ausserhalb der druckfesten Kapselung angeordnet ist.
Alternativ bleibt daher nur die komplette druckfeste Ausführung
des Feldgerätes, was jedoch den Zielen modulares und kompaktes Design widerspricht.
Eine elegante Lösung für die Verwendung digitaler Feldgeräte
in Installationen der Zündschutzart Druckfeste Kapselung stellt
eine direkt an das eigensichere Betriebsmittel angeflanschte
Feldbarriere dar.
Auf der Grundlage der sicherheitstechnischen Gleichwertigkeit
der Zündschutzarten spricht nichts gegen den Einsatz eines eigensicheren Betriebsmittels. Die Konvertierung via Feldbarriere
ermöglicht den direkten Anschluss an Installationen in Zündschutzart Druckfeste Kapselung über geeignete Kabel- und Leitungseinführungen oder Rohrleitungssysteme und stellt die notwendigen eigensicheren Ausgangsstromkreise für das angeflanschte Feldgerät zur Verfügung. Neben einer einkanaligen
Ausführung der Feldbarriere mit 4 bis 20 mA Signalstromkreis
wird eine dreikanalige Ausführung angeboten, die zusätzlich
die Anschaltung von Grenzkontakten oder eigensicheren Magnetventilen erlauben. Damit kann das Konzept der integrierbaren Optionen, wie es bei modernen Stellungsreglerkonzepten
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verwirklicht ist, auch mit der Feldbarriere effektiv genutzt werden. Da viele digitale Feldgeräte mit einer Kommunikationsmöglichkeit via HART-Protokoll ausgestattet sind, überträgt die
Feldbarriere auf dem 4 bis 20 mA Signalstromkreis auch das
Kommunikationssignal.
Für den Anwender ermöglicht das Konzept der Feldbarriere
eine optimale Effizienz für den Einsatz der Feldgeräte, was für
einen HART-Stellungsregler beispielhaft erläutert werden soll:
Mit der Verwendung der eigensicheren Stellungsreglervariante
wird nur ein Grundgerät benötigt, was die Beschaffung und Ersatzteil bzw.-geräthaltung wesentlich vereinfacht. Die Entscheidung Eigensicherheit oder Druckfeste Kapselung für den Ventil-
Bild 5: Stellventil mit integriert angebautem digitalen Ex d
Stellungsregler zum Anschluß an Installationen in Zündschutzart Druckfeste Kapselung
stellungsregler erfolgt auch bei der Montage bzw. Installation
auf einfachste Weise durch optionales Hinzufügen der Feldbarriere. Zusätzliche Funktionen wie Grenzkontakte, Störmeldekontakt oder Magnetventil erfordern keine zusätzlichen Komponenten sondern können in bewährter Weise im Stellungsreglergehäuse integriert werden. Unabhängig von der gewählten
Zündschutzart der Installation können Service- und Wartungsarbeiten am Stellungsregler unter Spannung vorgenommen
werden, obwohl die gesamte Verdrahtung und Anschlußtechnik in der Zündschutzart Druckfeste Kapselung erfolgt. Für Planung und Montage ist die Kombination Stellungsregler + Feldbarriere uneingeschränkt ein druckfest gekapseltes Gerät; für
die Wartung vor Ort und die Fehlerbeseitigung kann dieser Ex
d Stellungsregler wie ein eigensicheres Feldgerät behandelt
werden. Der Einsatz des eigensicheren HART Handheld Terminals ist ebenfalls im Direktanschluß möglich. Der Stellungsregler zeichnet sich weiterhin durch das kompakte Design aus, welches den universellen Anbau an beliebige Stellventile ermöglicht.
5. Zusammenfassung
Ein unmögliches Team – absolut nicht. Mit Innovation und Ideen
lassen sich die konträren Zündschutzarten Eigensicherheit und
Druckfeste Kapselung zu einem harmonischen Duett kombinieren, bei dem die Vorteile beider im wirtschaftlichen und betrieblichen Interesse des Anwenders uneingeschränkt realisiert werden.
Sonderdruck aus atp 42 (2000) Heft 3