Broschüre Explosionsschutz Grundlagen
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Explosionsschutz Theorie und Praxis Explosionsschutz Diese Broschüre zum Thema Explosionsschutz will bei den Errichtern, Planern und Betreibern von Anlagen mit explosionsfähigen Atmosphären Verständnis für die besonderen Risiken wecken und eine Hilfestellung bei der täglichen Arbeit bieten. Nicht nur in klassischen Anlagen der chemischen und petrochemischen Industrie muss man sich diesem Thema stellen. Auch in auf den ersten Blick harmlosen Bereichen z.B. der Lebensmittelindustrie ist ein erhebliches Gefahrenpotential vorhanden. Gerne bringt man Explosionsschutz mit Gasen in Verbindung. Doch auch bei Stäuben können explosionsfähige Atmosphären entstehen. Inhaltsverzeichnis Seite 1 Grundlagen Explosionsschutz 4 1.1 1.2 1.3 1.4 2 Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen 28 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 30 34 36 39 40 42 3 Technisches Basiswissen 48 3.1 3.2 3.3 52 56 58 Richtlinien, Normen, Bestimmungen 7 Zoneneinteilung 13 Zündschutzarten 16 Kennzeichnung von Ex-Produkten 25 Installation eigensicherer Stromkreise Überspannungsschutz im Ex-Bereich Verbindungstechnik Gehäuseeinführungen Installationsbeispiele Nachweis der Eigensicherheit MSR-Technik SIL Grundlagen Begriffe und Abkürzungen Zu den in dieser Broschüre angegebenen Produkten finden Sie weitergehende Informationen in den Katalogen von Phoenix Contact und im Internet unter www.phoenixcontact.com. In dieser Broschüre werden im ersten Teil die Grundlagen zum Explosionsschutz erläutert. Dadurch soll das Verständnis für die besonderen Risiken geweckt werden. Der Explosionsschutz stützt sich weltweit im wesentlichen auf die europäischen und amerikanischen Normen, Standards und Richtlinien. 2 Phoenix CONTACT Der zweite Teil hilft dem Anwender von elektrischen Betriebsmitteln für den explosionsgefährdeten Bereich. Es wird in anschaulicher Weise dargestellt, welche Explosionsschutz-Kriterien berücksichtigt werden müssen. Neben den Betriebsmitteln der MSR-Technik für eigensichere Stromkreise finden Sie auch Informationen zu Reihenklemmen und Überspannungsschutz für den explosionsgefährdeten Bereich. Der dritte Teil enthält technisches Basiswissen zur MSR-Technik und zur Funktionalen Sicherheit. Phoenix CONTACT 3 1 Grundlagen Explosionsschutz Die Sicherheit von Menschen, ein sicherer, störungsfreier Produktionsprozess und eine saubere Umwelt sind wichtige Ziele. Das Wissen um die Entstehung und Vermeidung von Explosionen überall dort, wo brennbare Stoffe, Sauerstoff und Zündquellen aufeinander treffen können, ist die Voraussetzung, diese Ziele zu brennbarer Stoff erreichen. Entstehung einer Explosion Vollkommene Verbrennung Eine vollkommene Verbrennung ist eine rasch ablaufende Oxidation. Sie wird als „Schadfeuer“ bezeichnet, bei dem unter ausreichender Zufuhr von Sauerstoff ein brennbares Material exotherm zersetzt wird. Mit zunehmender Ausbreitungsgeschwindigkeit spricht man von einer Verpuffung, dann von einer Explosion und im Extremfall von einer Detonation. Bei einer vollkommenen Verbrennung wird Schaden verursacht, der mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit erheblich zunimmt. Größenordnung der Ausbreitungs­ geschwindigkeit: • Verpuffung cm/s • Explosion m/s • Detonation km/s Sauerstoff Explosion Eine Explosion kann entstehen, wenn eine Schnittmenge aus einem brennbaren Stoff, Sauerstoff und einer Zündquelle besteht. Fehlt eine Komponente, so wird die exotherme Reaktion nicht erfolgen. Brennbarer Stoff In der Praxis vorkommende Nebel, Aerosole und Stäube haben Teilchengrößen zwischen 0,001 mm und 0,1 mm. Sauerstoff In Verbindung mit einem explosionsfähigen Stoff entsteht mit Sauerstoff eine explosionsfähige Atmosphäre. Ein brennbarer Stoff, der in Form von Gas, Nebel, Dampf oder Staub vorliegt, wird als explosionsfähiger Stoff bezeichnet. Nebel und Stäube sind explosionsfähig, wenn die Tröpfchen- bzw. Teilchengröße kleiner als 1 mm ist. Stäube mit einer größeren Teilchengröße sind in der Regel nicht zündfähig. Übersicht wirksamer Zündquellen Zündquelle Funken Zündquelle Lichtbögen Heiße Oberflächen Beispiel für die Ursache Mechanisch erzeugte Funken (z.B. durch Reib-, Schlag- oder Abtragvorgänge), elektrische Funken Kurzschluss, Schaltvorgänge Heizkörper, spanabhebende Bearbeitung, Erwärmung im Betrieb Flammen und heiße Gase Verbrennungsreaktionen, Funkenflug bei Schweißarbeiten Elektrische Anlagen Öffnen/Schließen von Kontakten, Wackelkontakt Schutzkleinspannungen (U< 50V) sind keine Maßnahme des Explosionsschutzes. Es kann auch bei kleinen Spannungen noch genügend Energie erzeugt werden, um eine explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden. Statische Elektrizität Entladung aufgeladener, isoliert angeordnete leitende Teile, bei z.B. vielen Kunststoffen Rückströme von Generatoren, Körper-/ Erdschluss bei Fehlern, Induktion Elektrische Ausgleichsströme, kathodischer Korrosionsschutz Elektromagnetische Wellen im Bereich 3 x 1011 …3 x 1015 Hz Hochfrequenz 104 …3 x 1012 Hz 4 Phoenix CONTACT Grundlagen Explosionsschutz 1 Laserstrahl zur Entfernungsmessung, insbesondere bei Fokussierung Blitzschlag Ionisierende Strahlung Funksignale, industrielle Hochfrequenzgeneratoren für Erwärmung, Trocknung oder Schneiden Atmosphärische Wetterstörungen Röntgengerät, radioaktiver Stoff, Absorption von Energie führt zur Erwärmung Ultraschall Absorption von Energie in festen/flüssigen Stoffen führt zur Erwärmung Adiabatische Kompression und Stoß­ wellen Exotherme Reaktionen Schlagartiges Öffnen von Ventilen 1 Grundlagen Explosionsschutz Chemische Reaktion führt zur Erwärmung Phoenix CONTACT 5 Obere und untere Explosions­ grenzen Bei Gasen entscheidet das Konzentrationsverhältnis, ob eine Explosion möglich ist. Nur wenn die Konzentration des Stoffes in Luft innerhalb der unteren Explosionsgrenze (UEG) und oberen Explosionsgrenze (OEG) liegt, kann das Gemisch gezündet werden. Einige chemisch unbeständige Stoffe (z.B. Acetylen, Ethylenoxid) können auch ohne Sauerstoff durch Selbstzersetzung exotherme Reaktionen eingehen. Die obere Explosionsgrenze (OEG) verschiebt sich auf 100 Volumen-Prozent. Der Explosionsbereich eines Stoffes erweitert sich mit steigendem Druck und steigender Temperatur. 1.1 Richtlinien, Normen und Bestimmungen Für Stäube lassen sich ähnliche Angaben machen wie für Gase, auch wenn die Explosionsgrenzen hier nicht die gleiche Bedeutung haben. Staubwolken sind in der Regel inhomogen und die Konzentration innerhalb einer Stauwolke schwankt sehr stark. Es lassen sich für Stäube eine untere Zündgrenze (bei ca. 20 ... 60 g/ m3) und eine obere Zündgrenze (bei ca. 2 ... 6 kg/m3) ermitteln. Explosionsschutz in Europa ATEX-Richtlinien Mit den sogenannten ATEX-Richtlinien wird der freie Warenhandel in Europa festgelegt. Der Begriff ATEX ergibt sich aus den französischen Worten „ATmosphère EXplosible“. In dem Konzept der Europäischen Union sind für den Explosionsschutz die ATEXRichtlinie 94/9/EG für Hersteller und die Richtlinie 1999/92/EG für Betreiber eingeführt. Diese Richtlinien sind in den Mitgliedsstaaten in nationales Recht umzusetzen. Explosionsgrenzen von Wasserstoff zu mager untere Explosionsgrenze zu fett obere Explosionsgrenze Zielgruppe Richtlinie Gebräuchliche Bezeichnung* Hersteller 94/9/EG ATEX 100a ATEX 95 Betreiber 1999/92/EG ATEX 118a ATEX 137 Explosive Atmosphäre Volumen-% brennbarer Stoffe 0 4 50 77 100 Beispiele von Gasen unter Normaldruck * Die Richtlinie stützt sich jeweils auf einen Artikel des Vertrages zur Gründung der europäischen Union. Der Artikel hat sich in der Nummerierung verschoben. Aceton 2,5 13 Acetylen 2,3 78 100 Ammoniak 15,5 33,6 Butan 1,4 9,3 Gerätegruppe und -kategorie nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG Gerätegruppe II „Über Tage“ Explosionsgefährdete Bereiche Gerätegruppe I „Unter Tage“ Schlagwettergefährdete Bereiche = Kohlebergbau Um das geeignete Verfahren zur Konformitätsbewertung festzulegen, muss der Hersteller zunächst anhand der bestimmungsgemäßen Verwendung entscheiden, zu welcher Gerätegruppe und -kategorie das Produkt gehört (siehe Tabelle nächste Seite). Gerätegruppe I: Geräte zur Verwendung im Untertagebetrieb von Bergwerken und deren Übertageanlagen, die durch Grubengase (Methan) und/oder brennbare Stäube gefährdet werden. Gerätegruppe II: Geräte zur Verwendung in den übrigen Bereichen, die durch eine explosionsfähige Atmosphäre gefährdet werden können. Den Gerätegruppen werden in der Richtlinie 94/9/EG Kategorien zuge­ ordnet. Für die Gerätegruppe I wird die Kategorie M1 und M2 festgelegt. In der Gerätegruppe II werden drei Kategorien 1, 2 und 3 definiert. Über die Kategorie wird in der Betreiberricht­ linie 1999/92/EG die Verbindung zu den Zonen hergestellt. Dieselkraftstoff 0,6 6,5 Kohlenmonoxid 10,9 76 Methan 4,4 16,5 Ottokraftstoff 0,6 8 Schwefelkohlenstoff 0,6 60 Wasserstoff 77 4 Volumen-% brennbarer Stoffe 6 Phoenix CONTACT 0 50 100 Grundlagen Explosionsschutz 1 1.1 Richtlinien, Normen und Bestimmungen Phoenix CONTACT 7 Anforderungen an Gerätegruppe und -kategorie Gerätegruppe Kategorie Schutzgrad I M1 sehr hoher Grad an Sicherheit I II M2 1 Gewährleistung des Schutzes Betriebsbedingungen Zwei unabhängige Schutzmaßnahmen. Sicher, wenn zwei Fehler unabhängig voneinander auftreten. Produkte müssen aus Sicherheitsgründen bei vorhandener explosionsfähiger Atmosphäre weiter betrieben werden können. hoher Grad an Sicherheit Schutzmaßnahmen bei normalem Betrieb auch unter erschwerten Bedingungen wirksam. sehr hoch Zwei unabhängige Schutzmaßnahmen. Sicher, wenn zwei Fehler unabhängig voneinander auftreten. Geräte bleiben in den Zonen 0, 1, 2 (G) und 20, 21, 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben. Diese Produkte müssen beim Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre abgeschaltet werden können. II 2 hoch Im normalen Betrieb und bei üblicherweise auftretenden Fehlern sicher. Geräte bleiben in den Zonen 1, 2 (G) und 21, 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben. II 3 normal Im normalen Betrieb sicher. Geräte bleiben in den Zonen 2 (G) und 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben. Konformitätsbewertung Grundlage der Konformitätsbewertung ist die Einstufung der elektrischen Betriebsmittel in Gerätegruppe und Kategorie. Die Grafik zeigt den Zusammenhang. Mit Ausnahme von Geräten der Kategorie 3 und der Einzelprüfung ist im Rahmen der Konformitätsbewertung eine EG-Baumusterprüfung notwendig. Die Überprüfung der Module wird durch eine benannte Stelle durchgeführt. Hier ein Beispiel: CE 0344 CE: EG-Konformität bei Betriebsmitteln. Komponenten werden nicht mit dem CE Zeichen gekennzeichnet. 0344: benannte Stelle, hier KEMA. Kategorie 3 – Geräte werden nicht mit der Nummer einer benannten Stelle gekennzeichnet, da sie nicht der Fertigungsüberwachung einer benannten Stelle unterliegen. Benannte Stelle (Notified Body) nach 94/4/EG (Auszug) Das EG-Baumusterprüfungszertifikat bescheinigt die durchgeführte Prüfung durch eine benannte Stelle. Benannte Stellen sind durch die EU festgelegt. Gruppe II Auf Grundlage des North American Hazardous Location Systems (HazLoc) werden grundlegende Regeln für den Explosionsschutz festgelegt. Das HazLoc-System wird von den folgenden Institutionen geprägt: • CSA International (CSA), • Factory Mutual Research (FM), Kategorie 1 M1 M2 Kategorie 2 • Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Kategorie 3 Kennung PTB Deutschland 0102 DEKRA EXAM Deutschland 0158 TÜV Nord Deutschland 0044 IBExU Deutschland 0637 ZELM Ex Deutschland 0820 BAM Deutschland 0589 SIRA Großbritannien 0518 INERIS Frankreich 0080 LCIE Frankreich 0081 LOM Spanien 0163 KEMA Niederlande 0344 CESI Italien 0722 UL DEMKO Dänemark 0539 NEMKO Norwegen 0470 • The Instrumentation, Systems and Automation Society (ISA), • Mine Safety and Health Administration (MSHA), • National Electrical Manufacturers Association (NEMA), National Electrical Code (NEC) und in Kanada der Canadian Electrical Code (CEC). Die aufgeführten Auszüge aus NEC und CEC beziehen sich auf den Explosionsschutz. • National Fire Protection Association (NFPA), • United States Coast Guard (USCG). Als Basis des Explosionsschutzes in Nordamerika gelten in den USA der * EG-Baumusterprüfung * QS Produktion QS Produkt oder Prüfung Produkt oder Konformität mit Bauart c 0344 c 0344 Interne Fertigungskontrolle Einzelprüfung c c 0344 * optional möglich, ähnliches Verfahren Konformitätsbewertung nach Richtlinie 94/9/EG für elektrische Betriebsmittel National Electrical Code (NEC) in USA Canadian Electrical Code (CEC) in Kanada Artikel 500 Artikel 18-000 501 Inhalt Allgemeine Anforderungen an Divisions der Class I, II und III Anforderungen an Divisions der Class I 502 Anforderungen an Divisions der Class II 503 Anforderungen an Divisions der Class III 504 Anforderungen an Divisions der Class I, II und III in Bezug auf Eigensicherheit (IS) Allgemeine und spezielle Anforderungen an die Zone 0, 1 und 2 Allgemeine und spezielle Anforderungen an die Zone 20, 21 und 22 505 506 8 Phoenix CONTACT Land Explosionsschutz in Nordamerika • Underwriters Laboratories Inc. (UL), Gruppe I Prüfstelle Richtlinien, Normen und Bestimmungen 1.1 1.1 Richtlinien, Normen und Bestimmungen Inhalt Allgemeine Anforderungen an Class I/Zone und Class II und III/Divisions 18-090 Anforderungen an Zone 0 der Class I 18-100 Anforderungen an Zone 1 und 2 der Class II 18-200 Anforderungen an Divisions der Class II 18-300 Anforderungen an Divisions der Class III Anhang J Allgemeine und spezielle Anforderungen an Divisions der Class I Phoenix CONTACT 9 Normung – elektrischer Explosionsschutz Bei der Entwicklung von Geräten gibt die Einhaltung von Normen Herstellern und den späteren Betreiber eine gewisse Handlungssicherheit. Je nach Einsatzgebiet können entsprechende Normen und Standards herangezogen werden. Die ATEX-Richtlinie zum Beispiel, legt die Einhaltung Grundlegender Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen fest. Die Umsetzung kann von Herstelern/Betreibern durch harmonisierte Normen erfüllt werden oder durch ein geeignetes eigenes Konzept. ein ausführlicher Nachweis erforderlich. Ein Certificate of Conformity durch IECEx ist nur bei Einhaltung der entsprechenden IEC-Normen möglich. Die harmonisierten Normen werden im Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht und durch deren Anwendung gilt die Konformitätsvermutung. Wählt der Hersteller ein eigenes Konzept, ist Staubexplosionsschutz in Europa In der Analogie zur Normung für den Gasexplosionsschutz gibt es Normen für den Staubexplosionsschutz. Es wird an der Zusammenführung der Gas- und Staub-Normen gearbeitet. Zündschutzart EN-Norm IEC-Norm Allgemeine Bestimmungen Basis für Zündschutzarten EN 60079-0 IEC 60079-0 Eigensicherheit Ex i AEx i (IS) Erhöhte Ex e Sicherheit AEx e Energiebegrenzung EN 60079-11 IEC 60079-11 Non-incendive NEC505 NEC504 Konstruktive MaßnahNEC505 men durch Abstand und Dimensionierung EN 60079-7 UL CSA (USA, Zone) (Canada) CSA E60079-0 FM 3610 FM 3610 UL 60079-11 CSA E60079-11 UL 913 UL 60079-7 CSA E60079-7 NEC500 Konstruktive Maßnahmen durch Abstand FM 3611 ISA 12.12.01 C22.2 No. 213 Explosionproof (XP) NEC500 Konstruktive Maßnahmen durch Einschluss FM 3615 z.B. Gehäuse: UL 1203 C22.2 No. 30 Druckfeste Kapselung Ex d AEx d Konstruktive MaßnahNEC505 men durch Einschluss Vergusskapselung Ex m AEx m Ausschluss explosionsfä- EN 60 079-18 IEC 60079-18 NEC505 higer Atmosphäre Ölkapselung Ex o AEx o Ausschluss explosionsfä- EN 60079-6 NEC505 higer Atmosphäre IEC 60079-6 Ex q AEx q Ausschluss explosions­ NEC505 fähiger Atmosphäre IEC 60079-5 Überdruck­ kapselung IEC 60079-1 FM 3600 UL2279 Pt.1 (ISA 12.22.01) EN 60079-5 Ex p AEx p NEC505 Typ X, Y, Z NEC500 Ex n AEx n NEC505 Ausschluss explosions­ fähiger Atmosphäre EN 60079-2 Verbesserte Industriequalität EN 60079-15 Eigensichere elektrische Systeme „i-Sys“ Ex i Energiebegrenzung in zusammengeschalteten eigensicheren Stromkreisen EN 60079-25 IEC 60079-25 Eigensichere Feldbussysteme Ex i Energiebegrenzung EN 60079-27 IEC 60079-27 Optische Strahlung Ex op Zündschutzart „n“ 10 Phoenix CONTACT Begrenzung der Strahlungsleistung UL 60079-1 CSA E60079-1 FM 3600 UL2279 Pt.18 UL 60079-18 CSA E60079-18 (ISA 12.23.01) FM 3600 UL2279 Pt.6 (ISA 12.16.01) FM 3622 FM 3600 UL2279 Pt.5 (ISA 12.25.01) UL 60079-6 CSA E60079-6 UL 60079-5 CSA E60079-5 UL 60079-2 CSA E60079-2 IEC 60079-2 --FM 3620 Ex t (DIP) Schutz durch GehäuseNEC500 Konstruktion NEC500 Energiebegrenzung IEC-Norm FM (USA) EN 60079-0 IEC 60079-0 FM 3600 UL (USA, Div.) EN 60079-31 IEC 60079-31 Ex p Ausschluss explosionsfä- EN 61241-4 higer Atmosphäre IEC 61241-4 Vergusskapselung Ex m Ausschluss explosionsfä- EN 60079-18 IEC 60079-18 higer Atmosphäre UL CSA (USA, Zone) (Canada) ISA 61241-0 ISA 61241-1 FM 3616 FM 3611 FM 3611 EN 61241-11 IEC 61241-11 FM 3610 Überdruck­ kapselung --NFPA 496 XP IS AIS ANI PX, PY, PZ APX, APY, APZ NI DIP FM 3620 UL 1203 UL 913 ISA 61241-11 NFPA 496 ISA 61241-4 ISA 61241-18 Explosionsgeschützt Betriebsmittel mit eigensicheren Stromkreisen Zugehörige Betriebsmittel mit eigensicheren Stromkreisen Zugehöriger nichtzündender Feldstromkreis Überdruckkapselung Zugehöriges Überdrucksystem oder Komponente Nichtzündende Betriebsmittel und nichtzündender Feldstromkreis Staub-Zündschutz Normung – mechanischer Explosionsschutz Die ATEX-Richtlinie 94/9/EG enthält harmonisierte Anforderungen an nichtelektrische Geräte, auch für den Einsatz in staubexplosionsgefährdeten Bereichen. In Analogie zur Normung für elektrische Geräte gibt es Normen für nichtelektrische Geräte. IEC 60079-15 FM 3600 UL2279 Pt.15 UL 60079-15 CSA E60079-15 (ISA 12.12.02) EN 60079-28 EN-Norm Abkürzungen auf Basis der NEC500 in Nordamerika IEC 60079-7 (NI) Sandkapselung Basis für Zündschutzarten (NI) Eigensicherheit Ex i FM UL (USA) (USA, Div.) FM 3600 (ISA 12.00.01) FM 3600 UL2279 Pt.7 (ISA 12.16.01) EN 60079-1 Die Normenreihe 61421 ist bereits zum USA-Basis Prinzip Allgemeine Bestimmungen Normen bzw. Standards für elektrische Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdeten Bereichen USA-Basis Prinzip Teil in die Normenreihe 60079 übernommen worden. Normen bzw. Standards für elektrische Betriebsmittel in staubexplosionsgefährdeten Bereichen Schutz durch Gehäuse Zündschutzart Dies ist möglich, da die Normenreihe für den Staubexplosionsschutz 61241, wie die Normenreihe für den Gasexplosionsschutz 60079, Zündschutzarten beinhaltet. IEC 60079-28 Richtlinien, Normen und Bestimmungen 1.1 1.1 Richtlinien, Normen und Bestimmungen Normen für nichtelektrische Betriebsmittel in explosionsgefährdeten Bereichen Zündschutzart EN-Norm Grundlagen und Anforderungen EN 13463-1 fr Schwadenhemmendes Gehäuse d Druckfeste Kapselung EN 13643-3 c Konstruktive Sicherheit EN 13463-5 b Zündquellenüberwachung EN 13463-6 p Überdruckkapselung EN 13463-7 k Flüssigkeitskapselung EN 13463-8 EN 13463-2 (nur für Gerätekategorie 3) Phoenix CONTACT 11 1.2 Zoneneinteilung Normung – Planung, Errichtung und Betrieb Die Richtlinie 1999/92/EG erfordert vom Betreiber prozesstechnische Anlagen, die Sicherstellung des Explosions­ schutzes. Die hierzu einzuhaltenden Anforderungen sind in EN- und IEC-Normen angegeben. Bezeichnung Explosionsschutz Teil 1: Grundlagen und Methodik EN-Norm IEC-Norm EN 1127-1 Europa Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 10: Einteilung der explosionsgefährdeten Bereiche Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 14: Elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen EN 60079-10 neu: EN 60079-10-1 EN 60079-14 IEC 60079-10 neu: IEC 60079-10-1 IEC 60079-14 Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 17: Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (ausgenommen Grubenbaue) EN 60079-17 IEC 60079-17 Explosionsfähige Atmosphäre Teil 19: Gerätereparatur, Überholung und Regenerierung EN 60079-19 IEC 60079-19 Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 10: Einteilung von staubexplosionsgefährdeten Bereichen EN 61241-10 neu: EN 60079-10-2 IEC 61241-10 neu: IEC 60079-10-2 Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 14: Auswahl und Errichten Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 17: Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (ausgenommen Grubenbaue) 12 Phoenix CONTACT EN 61241-14 EN 61241-17 IEC 60079-14 Explosionsgefährdete Bereiche werden genormten Zonen zugeordnet, die in zwei Bereiche unterschieden werden: • gasexplosionsgefährdete Bereiche und • staubexplosionsgefährdete Bereiche. Die Zonen wurden bisher für Gase in der EN 60079-10 und für Stäube in EN 61241-10 definiert. Im Rahmen der Überführung der Staubnormenreihe EN 61241 in die Normenreihe EN 60079 wurde die Einteilung in Gas- und Staubexplosionsgefährdete Bereiche in die EN 60079-10 Teil 10-1 und 10-2 übernommen. Weiterhin wurde von dem Europäischen Komitee Normung (CEN) die Norm EN 1127-1 erstellt. Die EN 1127-1 beinhaltet grundlegende Informationen zum Explosionsschutz und unterstützt beide ATEX-Richtlinien (94/9/EG und 1999/92/ EG). Die Einteilung der Zonen erfolgt auf Grund der Häufigkeit des Auftretens von explosionsfähiger Atmosphäre. In den Explosionsschutz-Regeln der Berufsgenossenschaft Chemie in Deutschland sind weitere Hilfestellungen zur Zoneneinteilung zu finden. IEC 61241-17 Richtlinien, Normen und Bestimmungen 1.1 1.2 Zoneneinteilung Beispiel für Zoneneinteilung Ventil Zone 1 Zone 0 Zone 2 Senke Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche In der EN 60079-10-1 sind die Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche definiert. Zonen Art der Gefahr Zone 0 ständig, lange Zeiträume, häufig Zone 1 gelegentlich Zone 2 normalerweise nicht, nur kurzzeitig Phoenix CONTACT 13 Zonen für staubexplosionsgefährdete Bereiche In der EN 61242-10 sind die Zonen erstmals für staubexplosionsgefährdete Bereiche* definiert. Heute sind sie in der EN 60079-10-2 zu finden. Einteilung in Deutschland vor ATEX Einteilung nach ATEX Art der Gefahr Bedeutung der Classes, Divisions und Zones Einteilung Explosionsfähige Atmosphäre Art der Gefahr Class I, Division 1 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten können permanent oder zeitweise unter normalen Betriebsbedingungen existieren. Class I, Division 2 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten treten wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf. Class I, Zone 0 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten treten unter normalen Betriebsbedingungen permanent oder über einen langen Zeitraum auf. Class I, Zone 1 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten treten wahrscheinlich unter normalen Betriebsbedingungen auf. Class I, Zone 2 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten treten wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf. Class II, Division 1 Staub Zündfähige Konzentrationen brennbaren Staubs können permanent oder zeitweise unter normalen Betriebsbedingungen existieren. Class II, Division 2 Staub Zündfähige Konzentrationen brennbaren Staubs treten wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf. Class III, Division 1 Fasern Bereiche, in denen leicht entzündbare Fasern verarbeitet oder transportiert werden. Class III, Division 2 Fasern Bereiche, in denen leicht entzündbare Fasern gelagert oder transportiert werden. Zuordnung nach 1999/92/EG Zone 20 ständig, lange Zeiträume, häufig Zone 21 gelegentlich Zone 22 normalerweise nicht, nur kurzzeitig Zone 10 Zone 11 Zusammenhang zwischen Zone und Kategorie Der Zusammenhang zwischen den Zonen und Gerätekategorien wir im Anhang 2 in der Betreiberrichtlinie 1999/92/EG hergestellt. Zone 0, 20 1, 21 2, 22 Gerätekategorie 1 1, 2 1, 2, 3 * Grobe Zuordnung, im Einzelfall zu überprüfen Stäube wurden früher in Deutschland in zwei Zonen unterteilt. Im Rahmen der Überarbeitung von Normen auf Grund von europäischen Richtlinien wurde die Zoneneinteilung auch bei Stäuben europaweit in drei Zonen unterteilt. Es ist aber zu berücksichtigen, dass die Zonen 10 und 11 nicht ungeprüft auf die neue Zoneneinteilung übertragen werden können. Nordamerika Entsprechend dem National Electrical Code (NEC) werden in den USA Zonen bzw. Divisionen eingeteilt. Für Kanada wird gemäß dem Canadian Electrical Code (CEC) entsprechend verfahren. Der Vergleich mit den IEC/EN Zoneneinteilung kann nur als grobe Näherung betrachtet werden. Die Konvertierung muss im Einzelfall überprüft werden. Insbesondere gilt dies für elektrische Betriebsmittel für Division 2. Diese lassen sich oft nicht ohne zusätzliche Prüfung und Zertifizierung in Zone 2 einsetzen. Im vereinfachten Zuordnungsschema werden die Möglichkeiten dargestellt. Explosionsgefährdete Bereiche mit typischen Stoffen Bereich Groups (typischer Stoff ) CLASS I (Gase und Dämpfe) Group Group Group Group CLASS II (Stäube) Group E (Metallstaub) Group F (Kohlestaub) Group G (Getreidestaub) CLASS III (Fasern) A (Acetylen) B (Wasserstoff ) C (Ethylen) D (Propan) Keine Untergruppen Vereinfachtes Zuordnungsschema für Zonen und Division IEC/EN USA: NEC 505 USA: NEC 500 Bereiche Zone 0 Zone 0 Division 1 Explosionsfähiger Stoff Gas/Nebel oder Flüssigkeit Staub Fasern 14 Phoenix CONTACT Zone 1 Zone 1 Class I II III Group A, B, C, D E, F, G –– Zone 2 Zone 2 Division 2 Explosionsfähiger Stoff Gas/Nebel oder Flüssigkeit Staub Fasern Class I II III Group A, B, C, D F, G –– Zoneneinteilung 1.2 1.2 Zoneneinteilung Phoenix CONTACT 15 1.3 Zündschutzarten Temperaturklassen/-grenzen bei Gasen und Stäuben Temperaturen für die Gruppe I Die max. zulässige Oberflächentemperatur der Betriebsmittel ist abhängig von der Art der Ablagerung von Kohlestaub. Allgemeine Anforderungen Die Basis für die genormten Zündschutzarten sind die Anforderungen an die Oberflächentemperatur, die Luft- und Kriechstrecken, die Kennzeichnung von elektrischen Betriebsmitteln, die Zuordnung der elektrischen Betriebsmittel an das Einsatzgebiet und der Zonen. Alles, was über die grundsätzlich notwendigen und allgemein gültigen Anforderungen hinausgeht, wird in der jeweiligen Zündschutzart festgelegt. Einteilung der Geräte in Gruppen Die ATEX-Richtlinie fordert eine Einteilung der Geräte in Gerätegruppen. Dem Untertagebetrieb wird die Geräte­ gruppe I zugeordnet. Diese Gruppe wurde früher mit dem Begriff „Schlagwettergefährdet“ (alte Abkürzung: „Sch“) bezeichnet. Alle anderen explosionsgefährdeten Bereiche werden der Gerätegruppe II zugeordnet. Beispiele sind Petrochemie, Bereiche Schlagwettergefährdete Grubenbaue Gasexplosionsgefährdete Bereiche Chemie und Siloanlagen mit brennbaren Stäuben. Diese Gruppe wurde früher mit dem Begriff "Explosionsgefährdet" (alte Abkürzung Ex) bezeichnet. Zusätzlich zu den Gerätegruppen nach ATEX-Richtlinie werden Geräte nach der Normenreihe 60079 entsprechend ihrem späteren Einsatzbereichs einer weiteren Gruppe zugeordnet. In den Zündschutzarten Eigensicherheit, Druckfeste Kapselung und Zündschutzart „n“ wurden die Geräte für Gase zusätzlich in die Gruppen IIA, IIB und IIC eingeordnet. Gruppe IIC IIB IIA Beispiel In einem Gehäuse der Zündschutzart Ex e IIC T6 werden Reihenklemmen eingesetzt. Dabei muss die maximal zulässige Stromstärke so bemessen werden, dass die Temperaturklasse T6 auch an den Reihenklemmen eingehalten wird. Das Gehäuse ist in IP-Schutzart IP 54 aus- Maximal zulässige Energie 20μJ 80μJ 160μJ Gerätegruppe nach Richtlinie 94/9/EG Gruppe I Gruppe II Gruppe nach EN 60079-0:2009 Gruppe nach EN 60079-0:2006 Gruppe I Gruppe II** Gruppe I IIA IIB IIC Gruppe II Gruppe III* IIA IIB IIC IIIA IIIB IIIC Temperaturgrenze bei Staub Bei staubexplosionsgefährdeten Bereichen wird die maximale Oberflächentemperatur als Temperaturwert [°C] angegeben. Die maximale Oberflächentemperatur des Betriebsmittels darf die Zündtemperatur einer Staubschicht oder einer Wolke des brennbaren Staubes nicht überschreiten. Schlagwettergefährdeter Grubenbau (Kohlebergbau) Temperatur 150°C 450°C Bedingungen mit Ablagerung von Kohlestaub am Betriebsmittel ohne Ablagerung von Kohlestaub am Betriebsmittel Zulässige Oberflächentem­ peratur für Gase Temperaturklasse Gruppe II für Europa und USA Zündtemperatur des Gases Ammoniak Methan Wasserstoff Propan Ethylen Butan Acetylen Cyclohexan Diethylether Schwefelkohlenstoff Gruppe II 630°C 595°C 560°C 470°C 425°C 365°C 305°C 259°C 170°C 95°C T1=450 T1=450 T2=300 T2=300 T3=200 T3=200 T4=135 T4=135 T5=100 T6=85 T5=100 T6=85 T2A=280 T2B=260 T2C=230 T2D=215 T3A=180 T3B=165 T3C=160 T4C=120 ºC geführt, aber das explosionsfähige Gas kann dennoch in das Gehäuse eindringen. Daher ist es nicht ausreichend, nur die Oberflächentemperatur des Gehäuses zu betrachten. Gehäuse Ex e mit Reihenklemmen Luft- und Kriechstrecke Bei den Zündschutzarten Eigensicherheit, Erhöhte Sicherheit und Zündschutzart „n“ sind Luft- und Kriechstrecken einzuhalten. Unter dem Begriff Luftstrecke wird die kürzeste Verbindung zwischen zwei Potentialen durch die Luft definiert. Als Kriechstrecke wird die kürzeste Verbindung zwischen zwei Potentialen über eine Oberfläche bezeichnet. Abhängig von der vergleichenden Kriechstromzahl (CTI) des Werkstoffs muss ein Mindestabstand eingehalten werden. Die Mindestabstände für Luft- und Kriechstrecken sind in der jeweiligen Zündschutzart festgelegt, die angewendet werden soll. Luftstrecken Kriechstrecken * IIIA: brennbare Flusen, IIIB: nicht-leitfähiger Staub, IIIC: leitfähiger Staub **in Abhängigkeit von der Zündschutzart 16 Phoenix CONTACT Gruppe I Quelle: GESTIS-Stoffdatenbank Maximal zulässige Energie nach EN 60079-11 Gruppe II Staubexplosionsgefährdete Bereiche In der neuen EN 60079-0:2009 wird nicht mehr zwischen den Zündschutzarten unterschieden. Die Zuordnung zu den Gruppen IIA, IIB oder IIC ist für alle vorzunehmen. Weiterhin wird in der EN 60079-0:2009 eine dritte Gruppe eingeführt. Die Gruppe III beschreibt die brennbaren Stäube, die ebenfalls weiter unterteilt wird, in IIIA, IIIB, IIIC. Temperaturklassen für die Gruppe II Die Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre kann verhindert werden, wenn die Oberflächentemperatur der Betriebsmittel niedriger ist als die Zündtemperatur des umgebenden Gases. Die Oberflächentemperatur gilt für alle Teile eines elektrischen Betriebsmittels, die in Berührung mit dem explosionsfähigen Stoff kommen können. Der überwiegende Teil der Gase läßt sich den Temperaturklassen T1 bis T3 zuordnen. Temperaturen für die Gruppe I Luft- und Kriechstrecke Zündschutzarten 1.3 1.3 Zündschutzarten Phoenix CONTACT 17 Zündschutzarten und ihre Anwendung Zündschutzarten für elektrische Betriebs­mittel in gasexplosionsgefährdeten Bereichen Zündschutzart d px, py, pz q o Druckfeste Kapselung Überdruck­kapselung Sandkapselung Ölkapselung Zündschutzarten für elektrische Betriebs­mittel in Bereichen mit brennbarem Staub Schutzprinzip EN/IEC Zone Anwendung Zündschutzart Verhinderung der Ausbreitung einer Explosion EN 60079-1 IEC 60079-1 1 oder 2 Schalt- Befehls- und Meldegeräte, Steuerungen, Motoren, Leistungselektronik tD Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN 60079-2 IEC 60079-2 Funken verhindern Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN 60079-5 IEC 60079-5 EN 60079-6 IEC 60079-6 1 oder 2 1 oder 2 1 oder 2 Schalt- und Steuerschränke, Motoren, Mess- und Analysegeräte, Rechner Transformatoren, Relais, Kondensatoren Transformatoren, Relais, Anlaufsteuerungen, Schaltgeräte neu: ta, tb, tc pD iaD, ibD Erhöhte Sicherheit Funken verhindern EN 60079-7 IEC 60079-7 1 oder 2 Abzweig- und Verbindungskästen, Gehäuse, Motoren, Klemmen ia, ib, ic Eigensicherheit Begrenzung der Zündenergie EN 60079-11 IEC 60079-11 0, 1 oder 2 Mess-, Steuer- und Regeltechnik, Sensoren, Aktoren, Instrumentierung Eigensichere Systeme EN 60079-25 IEC 60079-25 0, 1 oder 2 Eigensichere Felbussysteme (FISCO), nicht funkende Feldbussysteme (FNICO) EN 60079-27 IEC 60079-27 1 bzw. 2 nA Nicht funkendes Betriebsmittel vergleichbar mit Ex e EN 60079-15 IEC 60079-15 2 Nur Zone 2 nC Funkendes Betriebsmittel vergleichbar mit Ex d EN 60079-15 IEC 60079-15 2 Nur Zone 2 nL* Energiebegrenzt vergleichbar mit Ex i EN 60079-15 IEC 60079-15 2 Nur Zone 2 * unterschiedl. in Nord­amerika und Europa, zukünftig "ic" nR Schwadensicheres Gehäuse Schutz durch Gehäuse EN 60079-15 IEC 60079-15 2 Nur Zone 2 nP Vereinfachte Überdruck­ kapselung vergleichbar mit Ex p EN 60079-15 IEC 60079-15 2 Nur Zone 2 ma, mb, mc Verguss­kapselung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN 60079-18 IEC 60079-18 0, 1 oder 2 Spulen von Relais und Motoren, Elektronik, Magnetventile, Anschlusssysteme op is, op pr, op sh Optische Strahlung Energieübertragung von optischer Strahlung begrenzen oder vermeiden EN 60079-28 IEC 60079-28 1 oder 2 Optoelektronische Geräte 18 Phoenix CONTACT Zündschutzarten 1.3 Schutzprinzip EN/IEC Zone Anwendung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN 61241-1 IEC 61241-1 21 oder 22 Schalt-, Befehls- und Meldegeräte, Leuchten, Abzweig- und Verbindungskästen, Gehäuse 21 oder 22 Schalt- und Steuerschränke, Motoren, Mess- und Analysegeräte 20, 21 oder 22 Mess-, Steuer- und Regeltechnik, Sensoren, Aktoren, Instrumentierung 20, 21 oder 22 Spulen und Relais der Motoren, Elektronik und Anschluss-Systeme neu: EN 60079-31 IEC 60079-31 Überdruckkapselung zukünftig: p Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN 61241-4 IEC 61241-4 zukünftig: EN 60079-2 IEC 60079-2 Eigensicherheit zukünftig: ia, ib, ic maD, mbD e Schutz durch Gehäuse Vergusskapselung neu: ma, mb, mc Begrenzung der Zündenergie und Obrflächentemperatur EN 61241-11 IEC 61241-11 Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN 61241-18 IEC 61241-18 zukünftig: EN 60079-11 IEC 60079-11 neu: EN 60079-18 IEC 60079-18 Die Anforderungen der EN- und IEC- Normen werden zukünftig in die entsprechenden Normen für Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdete Bereiche überführt. Bei einigen Normen ist dies bereits erfolgt. 1.3 Zündschutzarten Phoenix CONTACT 19 Schutzniveau nach EN 60079-11 Eigensicherheit Ex i Prinzip Die Zündschutzart Eigensicherheit bezieht sich im Unterschied zu anderen Zündschutzarten (z.B. erhöhte Sicherheit) nicht nur auf einzelne Betriebsmittel, sondern auf den gesamten Stromkreis. Ein Stromkreis wird als eigensicher bezeichnet, wenn Strom und Spannung soweit begrenzt sind, dass ein Funke oder thermischer Effekt keine Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre auslösen kann. R U L C Prinzipschaltbild eines Stromkreises Zündenergien typischer Gase IO=Imax Gruppe R UO UO=UZ Prinzipschaltbild zur Spannungs- und Strombegrenzung Die Zener-Diode wird ab einem definierten Spannungswert leitend. Dadurch wird die Spannung Uo in den explosionsgefährdeten Bereich begrenzt. Ein in Reihe geschalteter Widerstand begrenzt den maximalen Strom Io. Uo Imax = Io= R Mit der Begrenzung von Spannung und Strom gilt für die maximale Leistung: 2 Uo 4R Die maximal zulässigen Werte ergeben sich aus den Zündgrenzkurven, die in der Norm EN 60079-11 angegeben sind. Die Zündgrenzkurven wurden mit einem Funkenprüfgerät ermittelt, wie es im Anhang B der EN 60079-11 beschrieben ist. Die Zündgrenzkurven enthalten Festlegungen für die Gasgruppen I sowie II. Die Gruppe II wird anhand der Zündernergien nochmals in IIA, IIB und IIC unterteilt. Po = Um die Energie des Funken unterhalb der Zündenergie des umgebenden Gases zu halten, wird die Spannung begrenzt. Der thermische Effekt, also zu heiße Oberflächen, wird durch die Strombegrenzung verhindert. Dieses gilt auch für die an den eigensicheren Stromkreisen angeschlossenen Sensoren. Energie kann auch gespeichert sein in Kapazitäten oder Induktivitäten innerhalb des eigensicheren Stromkreises und müssen ebenfalls bei der Betrachtung des eigensicheren Stromkreises berücksichtigt werden. Eigensicheres elektrisches Betriebsmittel Explosionsgefährdeter Bereich I II A II B II C Typisches Gas Zünd­ energie/μJ Methan Propan Äthylen Wasserstoff 280 > 180 60 … 180 < 60 Elektrische Betriebsmittel und zugehörige elektrische Betriebsmittel Ein eigensicherer Stromkreis besteht aus mindestens einem elektrischen Betriebsmittel und einem zugehörigen Betriebsmittel. Die Stromkreise der elektrischen Betriebsmittel erfüllen die Anforderungen der Eigensicherheit. Elektrische Betriebsmittel dürfen nur über zugehörige Betriebsmittel mit nichteigensicheren Stromkreisen verbunden werden. Ein zugehöriges Betriebsmittel besitzt sowohl eigensichere als auch nichteigensichere Stromkreise. Die Trennung der Stromkreise erfolgt durch Zener-Barrieren oder galvanische Trenner. Eigensichere elektrische Betriebsmittel und eigensichere Teile von zugehörigen Betriebsmitteln werden nach EN 60079-11 in die Schutzniveau „ia“, „ib“ und „ic“ eingeordnet. Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel Sicherer Bereich Beispiel: Zusammenschaltung elektrischer Betriebsmittel in der Zündschutzart Eigensicherheit. 20 Phoenix CONTACT Zündschutzarten 1.3 Schutzniveau Fehlerbetrachtung zulässige Zonen ia Nicht in der Lage, im Normalbetrieb, beim Auftreten irgendeiner Kombination von zwei Fehlern eine Zündung zu verursachen. 0,1,2 Nicht in der Lage, im Normalbetrieb, beim Auftreten eines Fehlers eine Zündung zu verursachen. 1,2 Gerät ist nicht in der Lage, im Normalbetrieb eine Zündung zu verursachen. 2 ib ic Zugehörige Betriebsmittel mit/ohne galvanischer Trennung Für eigensichere Stromkreise in die Zone 0 wird von der Norm EN 60079-14 Kap. 12.3 empfohlen, zusätzlich zum Schutzniveau „ia“ die galvanische Trennung zu bevorzugen. R F1 Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich Einfache elektrische Betriebsmittel Einfache elektrische Betriebsmittel benötigen keine Zulassung, müssen jedoch einer Temperaturklasse zugeordnet sein und den weiteren zutreffenden Anforderungen der EN 60 079-11 entsprechen. Die Maximaltemperatur kann aus der Leistung Po des zugehörigen Betriebsmittels berechnet und die Temperaturklasse bestimmt werden. Die Kennwerte der Energiespeicher müssen genau festgelegt werden und sind bei der Bestimmung der Gesamtsicherheit des Systems zu berücksichtigen. Ohne galvanische Trennung: Zenerbarriere Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich Mit galvanischer Trennung: Trenner Einfaches elektrisches Betriebsmittel Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel Das Schutzniveau „ia“, „ib“ oder „ic“ legt fest, ob in der Schutzbeschaltung eine 2-Fehler- oder 1-Fehler-Sicherheit oder keine Fehlersicherheit vorhanden ist. Es wird bei der Eigensicherheit eine Fehlerbetrachtung durchgeführt, um eine Explosionsgefahr auszuschließen. Damit wird aber über die Betriebssicherheit keine Aussage gemacht. Das bedeutet, ein funktionaler Totalausfall des Betriebsmittels kann bezogen auf den Explosionsschutz zulässig sein. Die elektrischen Betriebsmittel dürfen entsprechend dem Schutzniveau bis in Zone 0 eingesetzt werden. Bei zugehörigen Betriebsmitteln erfolgt die In­stallation im sicheren Bereich, lediglich die eigensicheren Stromkreise werden entsprechend der Schutzniveaus in den explosionsgefährdeten Bereich geführt. Grundsätzlich ist es möglich, zugehörige Betriebsmittel in einer weiteren Zündschutzart auszuführen, um diese dann in Zone 2 oder ggf. sogar in Zone 1 zu installieren. 1.3 Zündschutzarten Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich Übersicht einfache elektrische Betriebsmittel (EN 60079-11) passive Bauelemente Energiespeicher Energiequellen* PT 100 Kondensator Thermoelement Schalter Spule Verteilerkästen Photozellen * Anforderung U ≤ 1,5V I ≤ 100mA P ≤ 25mW Widerstände Phoenix CONTACT 21 Zündschutzart „n“ Erhöhte Sicherheit Ex e Die Zündschutzart „n“ lässt sich als eine verbesserte Industriequalität beschreiben, die für den Normalbetrieb ausgelegt ist. Eine Fehlerfallbetrachtung wie zum Beispiel bei der Zündschutzart Eigensicherheit wird nicht durchgeführt. Angewendet werden kann diese nur für die Gerätegruppe II und den Einsatz des elektrischen Betriebsmittels in der Zone 2. Der Hersteller legt die technischen Daten für den Normalbetrieb fest. Bei der Zündschutzart „n“ werden fünf verschiedene Ausführungen unterschie- den, die sich zum Teil aus den bekannten Zündschutzarten Erhöhte Sicherheit, Eigensicherheit, Druckfeste Kapselung, Überdruckkapselung und Vergusskapselung ableiten lassen. ten Ausgabe der EN 60079-15 nicht mehr enthalten sein. Sie wird in der Norm EN 60079-11 in das Schutzniveau "ic" aufgenommen. Diese Zündschutzart ist in Anlehnung an die US-Zündschutzart Non-Incendive (NI) entstanden und wurde normativ im Jahr 1999 in Europa eingeführt. Es wird hier in die Untergruppen nA, nC, nR, nL und nP unterschieden. Die Zündschutzart nL wird in der nächs- In der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit können Spannungen bis 11 kV in den explosionsgefährdeten Bereich gebracht werden. Insbesondere zur Versorgung von Motoren, Leuchten und Transformatoren ist die Erhöhte Sicherheit geeignet. Das Schutzprinzip beruht auf konstruktiven Maßnahmen. Unterteilt in Spannungsebenen werden Luft- und Kriechstrecken für die spannungsführenden Teile festgelegt. Dadurch werden elektrische Funken verhindert. Zusätzlich muss mindestens die IP-Schutzart (EN 60529) IP 54 erfüllt werden. Mit der Begrenzung der Oberflächentemperatur wird sichergestellt, dass während des Betriebes an keiner Stelle, auch im Inneren des Gehäuses, die explosionsfähige Atmosphäre entzündet werden kann. Das Gehäuse schließt nicht das Eindringen von Gasen aus. Bei der Zündschutzart Druckfeste Kapselung wird die Ausbreitung einer Explosion durch die Gehäusekonstruktion verhindert. Eine im Inneren stattfindende Explosion ist nicht in der Lage, die das Gehäuse umgebende explosionsfähige Atmosphäre zu zünden. Dies führt zu sehr robusten Gehäusen. Die Gehäuse besitzen Deckel und Einführungsstellen, zum Beispiel für Kabel und Leitungen. Die hier vorhandene Grenzspaltweite wird so dimensioniert, dass eine Übertragung der Explosion vom Inneren des Gehäuses in die umgebende explosions- fähige Atmosphäre verhindert wird. Es ist nicht zulässig, bei Kabel- und Leitungseinführungen in der Zündschutzart Ex d das Gewinde zu fetten oder mit der Drahtbürste Rost zu entfernen. Dadurch kann die Spaltweite verändert und das Schutzprinzip zerstört werden. Die Vorgaben des Herstellers sind unbedingt einzuhalten. Unterteilung der Zündschutzart „n“ in Europa Kurz zeichen A Bedeutung Nicht funkend Vergleichbar mit … Ex e Methode C Funkende Betriebs­mittel teilweise Ex d, Ex m umschlossene Schalteinrichtung, nichtzündfähige Bauteile, hermetisch dichte, abgedichtet oder gekapselte Einrichtungen IIA, IIB, IIC R Schwaden­ sichere Gehäuse --- Eindringen von explosiven Gasen wird beschränkt ab EN 60079-0:2009 Unterteilung in IIA, IIB, IIC L * Energie­begrenzt Ex i Energiebegrenzung, damit weder Funke noch thermische Wirkung eine Zündung hervorruft IIA, IIB, IIC P Vereinfachte Überdruckkapselung Ex p Eindringen von explosiven Gasen wird durch Überdruck verhindert, Überwachung ohne Abschaltung ab EN 60079-0:2009 Unterteilung in IIA, IIB, IIC Auftreten von Lichtbögen, Funken oder heißen Oberflächen wird minimiert Untergliederung der Gruppe II ab EN 60079-0:2009 Unterteilung in IIA, IIB, IIC Druckfeste Kapselung Ex d Verguss-, Sand- oder Ölkapselung Ex m, Ex q, Ex o * unterschiedlich in Nordamerika und Europa Prinzip der Zündschutzarten Vergusskapselung, Sandkapselung und Ölkapselung ist das Einschließen von möglichen Zündquellen in einem elektrischen Betriebsmittel durch das Medium Vergussmasse, Sand oder Öl. Damit wird die Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert. Unterteilung der Zündschutzart „n“ in Nordamerika Bezeichnung nach NEC Energy Limited „nC“ * Hermetically Sealed „nC“ Nonincendive „nC“ Non-Sparking „nA“ Restricted Breathing „nR“ Sealed Device „nC“ Simplified Pressurization „nP“ ** Bedeutung Energiebegrenzt Hermetisch verschlossen Nichtzündende Betriebsmittel Nichtfunkende Betriebsmittel Schwadensicher Verschlossene Betriebsmittel Einfache Überdruckkapselung In diesen Zündschutzarten können auch Spannungen bis 10…11 kV verwendet werden. * unterschiedlich in Nordamerika und Europa ** in USA als Typ X, Y und Z bezeichnet 22 Phoenix CONTACT Zündschutzarten 1.3 1.3 Zündschutzarten Phoenix CONTACT 23 1.4 Kennzeichnung von Ex-Produkten Überdruckkapselung Ex p Die Zündschutzart Überdruckkapselung beschreibt Methoden, mit denen das Eindringen von explosionsfähiger Atmosphäre in Gehäuse oder in die Schaltwarte durch Überdruck verhindert wird. Der Umgebungsdruck um das Gehäuse ist immer niedriger als innerhalb. Es sind drei Formen der Überdruckkapselung möglich (siehe Tabelle). Bei statischem Überdruck muss das Gehäuse hermetisch abgedichtet sein. Ein Druckverlust findet nicht statt. Weiter verbreitet sind jedoch Methoden, bei denen der Überdruck durch den Ausgleich der Leckverluste oder ständiger Spülung gehalten wird. Der Überdruck wird meist durch einfache Druckluft erzeugt. Die Zündschutzart Ex p erfordert eine Überwachungseinheit, die die elektrischen Betriebsmittel im Inneren des Gehäuses sicher abschaltet, sobald nicht mehr ausreichend Überdruck vorhanden ist. Dabei muss die Überwachungseinheit in einer anderen Zündschutzart ausge- führt sein, damit diese auch ohne Überdruck betrieben werden kann. Im Inneren können Betriebsmittel ohne Berücksichtigung des Explosionsschutzes betrieben werden. Die Oberflächentemperatur der Betriebsmittel darf nach dem Abfall des Überdrucks die eindringende explosionsfähige Atmosphäre nicht entzünden. Ist es aus betrieblichen Gründen erforderlich, dass ein Gerät oder eine Komponente im Inneren des Gehäuses nicht abgeschaltet werden darf, muss es in einer anderen Zündschutzart explosionsgeschützt sein. Kennzeichnung für elektrische Betriebsmittel Betriebszustände Konformitäts­ bewertung nach 94/9/EG (ATEX) elektrisches Betriebsmittel Geräteschutzniveau, EPL (Ga, Gb, Gc, Da, Db, Dc) elektrisches Betriebsmittel Statisch ohne Nachführen Ausgleich der Leckverluste Ausgleich der Leckverluste Ständige Durchspülung Ständiges Nachführen --- Vorspülphase: Das Gehäuse wird gespült und möglicherweise vorhandene explosionsfähige Atmosphäre wird aus dem Gehäuse entfernt. c 10 0344 Betriebsphase: Der Überdruck im Gehäuse wird überwacht. Falls dieser abfällt, werden die elektrischen Betriebsmittel im Gehäuseinneren abgeschaltet 24 Phoenix CONTACT EG-Baumusterprüfbescheinigung Aktuelles Herstellerjahr Möglichkeiten der Überdruckkapselung Überdruckkapselung Druckluft Kennzeichnung nach EN 60079-0:2009 Kennzeichnung nach ATEX-Richtlinie Zündschutzarten 1.3 X Ex ia IIC T6 Ga II 1 G Atmosphäre (G=Gas, D=Staub) TÜV 01 ATEX 1750 Temperaturklasse (für direkt im Ex-Bereich eingesetzte Betriebsmittel) (T1 … T6) Nummer der Bescheinigung Geräte­ kategorie (1, 2, 3) Gasgruppe (IIA, IIB, IIC) oder Staubgruppe (IIIA, IIIB, IIIC) Baumustergeprüft nach 94/9/EG (ATEX) Gerätegruppe (I, II) Zündschutzart (ia, ib, ic, e, d, …) Jahr der EGBaumusterprüfbescheinigung benannte Stelle Fertigungsüberwachung (z.B. KEMA) Explosionsgeschützt benannte Stelle (Notified Body) 1.4 Kennzeichnung von Ex-Produkten Phoenix CONTACT 25 Zusammenhang von Kategorien, EPL und Zonen Der Equipment Protection Level (EPL) wird in der Norm EN 60079-0:2009 neu eingeführt und gibt das Geräteschutzniveau des Gerätes oder der Komponente an. Das Geräteschutzniveau ist in Analogie zu den Kategorien der ATEX-Richtlinie zu sehen. Somit ist jetzt auch über die Kennzeichnung nach Zündschutzart eine einfachere Zuordnung der Geräte zu den Zonen möglich. Gerätekategorie nach ATEX-Richt­­ linie 94/9/EG Gas Staub Bergbau Geräteschutzniveau EPL (Equipment Protection Level) Zone Art der Gefahr Kennzeichnung nach IECEx Beispiele für Kennzeichnung mit IECEx-Zertifikatsnummer und nach IEC 60079-0 1G Ga 0 2G 3G Gb Gc 1 2 1D Da 20 2D 3D Db Dc 21 22 M1 Ma M2 Mb Ständig, lange Zeiträume, häufig Gelegentlich Normalerweise nicht, nur kurzfristig Ständig, lange Zeiträume, häufig Gelegentlich Normalerweise nicht, nur kurzfristig Ständig, lange Zeiträume, häufig Gelegentlich Gas - Ex U: Komponente X: besondere Einbaubedingungen U: Komponente, X: besondere Einbaubedingungen Ex nA II T4 Ex nA IIC T4 Gc Ex nAc IIC T4 Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel IECEx BVS 08.035X [Ex ia] IIC [Ex ia Ga] IIC [Ex ia] IIC Komponente IECEx KEM 07.0057U Ex e II Ex e IIC Gb Ex eb IIC …nach Norm IEC 61241-0:2005 …nach Norm IEC 60079-0:2007 …nach Norm IEC 60079-0:2007 Alternative Staub - Ex … nach Norm EN 60079-0:2006 … nach Norm EN 60079-0:2009 … nach Norm EN 60079-0:2009 Alternative Elektrisches Betriebsmittel IBExU 09 ATEX 1030 CE II 3 G X Ex nA II T4 Ex nA IIC T4 Gc Ex nAc IIC T4 Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel BVS 08 ATEX E 094 X CE 0344 II (1) G X [Ex ia] IIC [Ex ia Ga] IIC [Ex ia] IIC Komponente KEMA 07 ATEX 0193 U Kennzeichnung Nummer des IECEx Certificate of Conformity U: Komponente X: besondere Einbaubedingungen Elektrisches Betriebsmittel IECEx IBE 00.0000X Ex tD A21 IP 65 T80°C Ex t IIIC T80°C Db Ex tb IIIC T80°C Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel IECEx BVS 00.0000X [Ex iaD] [Ex ia Da] IIIC [Ex ia] IIIC Beim IECEx-System ergibt sich die Kennzeichnung nur aus den Anforderungen der IEC-Normen 0344 II 2 G X Ex e II Ex e IIC Gb Ex eb IIC Nummer EG-Baumusterprüfbescheinigung/ Konformitätsaussage U: Komponente, X: besondere Einbaubedingungen Kennzeichnung in den USA Kennzeichnungsbeispiel für ein zugehöriges elektrisches Betriebsmittel Einstufung des ➞ 1M68 Betriebsmittels Beispiele für Kennzeichnung nach EN 61241-0 bzw. EN 60079-0 Staub - Ex …nach Norm IEC 60079-0:2007 Alternative IECEx IBE 09.0002X Kennzeichnung … nach ATEX …nach Norm IEC 60079-0:2007 Elektrisches Betriebsmittel Beispiele für Kennzeichnung nach ATEX Richtlinie 94/9/EG und nach EN 60079-0 Nummer EG-Baumusterprüfbescheinigung/ Konformitätsaussage …nach Norm IEC 60079-0:2004 Beispiele für Kennzeichnung nach IEC 61241-0 bzw. 60079-0 Kennzeichnung nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG Gas - Ex Kennzeichnung Nummer des IECEx Certificate of Conformity Kennzeichnung … nach Norm EN 61241:2006 … nach Norm EN 60079-0:2009 … nach Norm EN 60079-0:2009 Alternative Zulassungsstelle in USA: hier UL; c für Kanada; us für USA ➞ U Listed CD-No: 12345678 ➞ Controldrawing-No. (Kontrolldokument) A: Acetylen Kann in Div 2* B: Wasserstoff eingesetzt werden C: Ethylen für Class I: Gase D: Propan Elektrisches Betriebsmittel PTB 00 ATEX 0000 X Ex tD A21 IP 65 T80°C Ex tb IIIC T80°C Db Ex tb IIIC T80°C Suitable for Class I, Div. 2, Groups A, B, C and D installation; Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel TÜV 00 ATEX 0000 [Ex iaD] [Ex ia Da] IIIC [Ex ia] IIIC providing intrinsically safe circuits for use in Class I, Div. 1, Groups A, B, C and D; Class II, Div. 1, Groups E, F and G; and In Europa setzt sich die Kennzeichnung von Betriebsmitteln, Komponenten und Schutzsystemen aus der Richtlinien- und der Normenkennzeichnung zusammen. 26 Phoenix CONTACT Kennzeichnung von Ex-Produkten 1.4 Class III, Hazardous Locations 1.4 Kennzeichnung von Ex-Produkten ➞ ➞ Gase ➞ Stäube ➞ Fasern geeignet für Stromkreise in Div 1* * nach NEC 500 Phoenix CONTACT 27 2 Errichtung von Anlagen in explosions­gefährdeten Bereichen Die Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen erfordert ein besonderes Maß an Vorkehrungen. Der Arbeitgeber/Betreiber • teilt Bereiche, in denen explosionsfähige Atmosphären vorhanden sein können, in Zonen ein. • stellt sicher, dass die Mindestvorschriften angewendet werden. • kennzeichnet die Zugänge zu explosionsgefährdeten Bereichen. Bei der Auswahl der Betriebsmittel, Kabel/ Leitungen und Konstruktion sind besondere Anforderungen zu beachten. Auszug aus RL 1999/92/EG: … (1) Artikel 137 des Vertrags sieht vor, dass der Rat durch Richtlinien Mindestvorschriften erlassen kann, die die Verbesserung insbesondere der Arbeitsumwelt fördern, um die Sicherheit und die Gesundheit der Arbeitnehmer verstärkt zu schützen. … (7) In der Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. März 1994 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (5) ist festgelegt, dass eine ergänzende Richtlinie nach Artikel 137 des Vertrags vorgesehen ist, die sich insbesondere mit der Gefahr durch Explosionen aufgrund der Verwendung und/oder der Art und Weise der Installation der Geräte befasst. … Risikoanalyse Der Betreiber einer Anlage hat eine genaue Beurteilung durchzuführen. Grundlage dafür sind z.B. die Normen EN 60079-10, EN 60079-14 und EN 1127-1 (siehe auch Normenübersicht auf Seite 12). Auf Grund dieser Beurteilung werden die Zonen festgelegt und die zulässigen Betriebsmittel ausgewählt. Jede Anlage ist auf ihre Besonderheiten hin zu untersuchen. Sollte es dennoch zur Explosion kommen, ist bereits im Vorfeld das mögliche Gefahrenszenario zu betrachten. Können z.B. Kettenreaktionen eintreten, wie sind die Gebäudeschäden und welche Auswirkung hat die Explosion auf weitere Anlagenteile? Es kann sein, dass Wechselwirkungen mit benachbarten Anlagen auftreten, die bei der einzelnen Anlage alleine nicht vorkommen können. Die Risikobeurteilung erfolgt in der Regel in einem Team, welches alle relevanten Aspekte der Anlage abdeckt. Im Zweifelsfall empfiehlt es sich, weitere Experten zu Rate zu ziehen. Die Risikobeurteilung ist die Grundlage aller weiteren Maßnahmen bis hin zum Betrieb der Anlage. Im Explosionsschutzdokument sind diese Beurteilungen festzuhalten. Der Leitfaden nach Artikel 11 der Richtlinie 1999/92/EG enthält folgende methodische Vorgehensweisen (anlehnende Darstellung): Beurteilungsverlauf zur Erkennung und Verhinderung von Explosionsgefahren: 1 Sind brennbare Stoffe vorhanden? Nein Keine Explosionsschutz­ maßnahmen erforderlich. Ja 2 Kann durch ausreichende Verteilung in Luft eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen? Ja Nein Keine Explosionsschutz­ maßnahmen erforderlich. Nein Keine Explosionsschutz­ maßnahmen erforderlich. Ja Keine weiteren Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich. Ja Keine weiteren Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich. 3 Wo kann explosionsfähige Atmosphäre auftreten? 4 5 6 Ist die Bildung einer sog. „gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre“ möglich? Ja Weitere Maßnahmen erforderlich! Verhinderung von Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphären. (Primärer Explosionsschutz) Ist die Bildung von gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären zuverlässig verhindert? Nein Weitere Maßnahmen erforderlich! 7 In welche Zonen lassen sich die Bereiche mit gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären einteilen? 8 Vermeiden von wirksamen Zündquellen in Bereichen mit gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären. (Sekundärer Explosionsschutz) 9 Ist die Entzündung von gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären zuverlässig vermieden? Nein Weitere Maßnahmen erforderlich! Begrenzung der Auswirkungen einer Explosion durch konstruktive und 10 organisatorische Maßnahmen. (Tertiärer Explosionsschutz) Explosionsschutzdokument Die Dokumentation ist wesentlich für den sicheren Betrieb der Anlage im explosionsgefährdeten Bereich. Sie wird vor dem Errichten erstellt und ist immer auf dem aktuellen Stand zu halten. Bei Veränderungen an der Anlage müssen alle beschriebenen Einflussgrößen berücksichtigt werden. 28 Phoenix CONTACT Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen 2 Beispiel für Aufbau der Dokumentation Verantwortlicher für das Objekt Namentlich benannt Beschreibung der baulichen und geo­ Lageplan, Gebäudeplan, Be- /Entlüftung grafischen Gegebenheiten Verfahrensbeschreibung Beschreibung der Anlage bezogen auf Explosionsschutz Stoffdaten Auflistung der Daten mit explosions­ relevanten Kennwerten Risikobeurteilung siehe obenstehenden Leitfaden Schutzkonzepte Zoneneinteilung, angewendete Zündschutzarten Organisatorische Maßnahmen Unterweisung, schriftliche An­weisungen, Arbeitsfreigaben 2 Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen Phoenix CONTACT 29 2.1 Installation eigensicherer Stromkreise Eigensichere Stromkreise mit mehr als einer Energiequelle Die beschriebene Dimensionierung eines eigensicheren Stromkreises ist aber nur dann zulässig, wenn maximal ein konzentrierter Energiespeicher Ci oder Li im Stromkreis vorhanden ist. Auslegung von eigensicheren Stromkreisen Installation in Zündschutzart Eigensicherheit Der gesamte eigensichere Stromkreis muss gegen das Eindringen von Energie aus anderen Quellen, elektrischen oder magnetischen Feldern geschützt sein. Verantwortlich für den Nachweis der Eigensicherheit ist der Errichter oder Betreiber, nicht der Hersteller. Einfache eigensichere Stromkreise Einfache eigensichere Stromkreise enthalten nur eine Energiequelle. Zur Planung und Installation empfiehlt es sich, die Betriebsanleitungen und die EG-Baumusterprüfbescheinigung (bzw. die Zertifikate) der eingesetzten Betriebsmittel bereitzuhalten. Diesen werden die notwendigen Parameter entnommen. Im ersten Schritt werden die Kriterien entsprechend der folgenden Tabelle geprüft. Überprüfung des Einsatzes im explosionsgefährdeten Bereich Kriterien Gerätegruppe, Einsatzbereich Kategorie Gruppe Zone Zündschutzart Temperaturklasse Elektrische Betriebsmittel II, G, D Zugehörige elektrische Betriebsmittel II, G, D 1, 2, 3 IIA, IIB, IIC 0, 1, 2 Ex ia, Ex ib T1…T6 (1), (2), (3) IIA, IIB, IIC 0, 1, 2 [Ex ia], [Ex ib] -- Als nächster Schritt werden die elektrischen Daten des eigensicheren Stromkreises (Spannung, Strom, Leistung, Kapazität und Induktivität) gemäß der folgenden Abbildung überprüft. Im eigensicheren Stromkreis sind alle auftretenden Kapazitäten und Induktivitäten zu berücksichtigen und mit der Kapazität Co und Induktivität Lo des zugehörigen Betriebsmittels zu ver- Für den Einsatz in Zone 0 ist die Zu­sammenschaltung von mehreren zugehörigen elektrischen Betriebsmitteln nicht zulässig. gleichen. In der Praxis ist besonders auf die Kapazität zu achten, da durch diese Kabel oder Leitungen in der Länge erheblich eingeschränkt werden. Als Richtwerte können die Kapazität Cc mit ca. 140…200 nF/km und die Induktivität Lc mit ca. 0,8…1 mH/km angenommen werden. Im Zweifel ist immer vom worst case auszugehen. Dimensionierung eigensicherer Stromkreise mit einem zugehörigen Betriebsmittel Explosionsgefährdeter Bereich 30 Phoenix CONTACT Sicherer Bereich SPS 4…20mA Beim Auftreten von mehreren konzentrierten Energiespeicher Ci und Li ist die maximal zulässige Kapazität Co und Induktivität Lo vor dem Vergleich mit Ci + Cc und Li + Lc zu halbieren. Ci bzw. Li sind als konzentrierter Energiespeicher zu sehen, wenn ihr jeweilige Wert 1% der maximal zulässigen äußeren Kapazität Co bzw. Induktivität Lo überschreitet. Die Kabel-/Leitungskapazität Cc bzw. die Kabel-/Leitungsinduktivität Lc gelten nicht als konzentrierte Kapazitäten bzw. konzentrierte Induktivitäten. Gebräuchliche Bezeichnungen Europa für Feldgerät: USA max. Eingangsspannung max. Eingangsleistung max. innere Kapazität max. innere Induktivität für zugehörige Betriebsmittel Ui Ii Ci Li Vmax Imax Ci Li max. Ausgangsspannung max. Ausgangsleistung max. äußere Kapazität max. äußere Induktivität für Kabel/Leitung: Uo Io Co Lo Voc Isc Ca La Kabel-/Leitungskapazität Kabel-/Leitungsinduktivität Cc Lc Ccable Lcable Installation eigensicherer Stromkreise 2.1 Besteht der eigensichere Stromkreisen für Anwendungen in Zone 1 und Zone 2 aus mehr als einem zugehörigen Betriebsmittel, muss durch theoretische Berechnungen oder Prüfungen mit dem Funkenprüfgerät (entsprechend EN 60079-11) ein Nachweis erfolgen. Dabei ist zu beachten, ob eine Stromaddition vorliegt. Daher wird die Beurteilung durch einen Sachverständigen empfohlen. Für die Zusammenschaltung mehrerer eigensicherer Stromkreise mit linearen Strom-Spannungskennlinien werden im Anhang A und B der EN 60079-14 Beispiele aufgeführt. Bei der Zusammenschaltung zugehöriger Betriebsmittel mit nichtlinearen Kennlinien führt die Bewertung an Hand der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstroms nicht zum Ergebnis. Die Berechnungen kann aber auf Grundlage des PTB-Berichts PTB-ThEx-10 „Zusammenschaltung nichtlinearer und linearer eigensicherer Stromkreise“ durchgeführt werden. Dieser ist in die EN 60079-25 (Eigensichere Systeme) einbezogen worden. Hier werden grafische Methoden zur Beurteilung der Eigensicherheit bis in die Zone 1 beschrieben. 2.1 Installation eigensicherer Stromkreise Erdung in eigensicheren Stromkreisen Bei der Erdung eigensicherer Stromkreise kann es zu Potentialdifferenzen kommen. Diese müssen in der Betrachtung der Stromkreise berücksichtigt werden. Eigensichere Stromkreise dürfen gegen Erde isoliert sein. Die Gefahr der elektrostatischen Aufladung ist zu beachten. Die Verbindung über einen Widerstand R = 0,2…1 MΩ zur Ableitung elektro­ statischer Aufladung gilt nicht als Erdverbindung. Ein eigensicherer Stromkreis darf an das Potentialausgleichssystem angeschlossen sein, wenn dies nur an einer Stelle innerhalb eines eigensicheren Stromkreises geschieht. Wenn ein eigensicherer Stromkreis aus mehreren galvanisch getrennten Teilstromkreisen besteht, kann jeder Teil einmal mit Erde verbunden werden. Ist eine funktionsbedingte Erdung für einen in Zone 0 befindlichen Sensor/ Aktor notwendig, so ist diese unmittelbar außerhalb der Zone 0 zu realisieren. Anlagen mit Zener-Barrieren müssen an diesen geerdet sein. Gegebenenfalls ist sogar ein mechanischer Schutz gegen Beschädigung vorzusehen. Diese Stromkreise dürfen nicht an einer weiteren Stelle geerdet werden. Alle elektrischen Betriebsmittel, die die Spannungsprüfung mit mindestens 500 V gegen Erde nicht bestehen, gelten als geerdet. Bei der galvanischen Trennung von Versorgungs- und Signalstromkreisen müssen die Fehler und/oder transiente Ströme in Potentialausgleichsleitungen berücksichtigt werden. Wartung und Instandhaltung Eine Wartung der eigensicheren Stromkreise ist ohne besondere Genehmigung (z.B.: Feuerschein) möglich. Die Leitungen der eigensicheren Stromkreise können kurzgeschlossen oder unterbrochen werden, ohne die Zündschutzart zu gefährden. Es dürfen eigensichere Betriebsmittel ausgebaut (bzw. Steckmodule gezogen) werden, ohne dass die Anlage spannungsfrei geschaltet werden muss. In eigensicheren Stromkreisen treten üblicherweise keine berührgefährlichen Ströme und Spannungen auf, so dass sie für Personen sicher sind. Das Messen von eigensicheren Stromkreisen erfordert zugelassene eigensichere Messgeräte. Werden die Daten dieser Messgeräte nicht berücksichtigt, kann zusätzliche Energie in den eigensicheren Stromkreis gelangen. Die zulässigen Höchstwerte werden ggf. überschritten und die Anforderungen an die Eigensicherheit nicht mehr erfüllt. Gleiches gilt für alle Prüfgeräte, die eingesetzt werden sollen. Zulässige Leiterquerschnitte für Erdverbindung Anzahl der Leiter mind. 2 getrennte Leiter Leiterquerschnitt* min. 1,5 mm2 ein Leiter min. 4 mm2 Bedingung jeder einzelne Leiter kann den größtmöglichen Strom führen * Leiter aus Kupfer Phoenix CONTACT 31 Bei der Installation von Kabeln/Leitungen sollen diese gegen mechanische Beschädigungen, Korrosion, chemische und thermische Einwirkungen geschützt sein. In der Zündschutzart Eigensicherheit ist dies verbindlich gefordert. In Schächten, Kanälen, Rohren und Gräben muss das Ansammeln von explosionsfähiger Atmosphäre verhindert werden. Ebenso dürfen sich brennbare Gase, Dämpfe, Flüssigkeiten oder Stäube nicht darüber ausbreiten können. Innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs sollen Kabel/Leitungen möglichst unterbrechungsfrei geführt werden. Ist dies nicht realisierbar, so dürfen die Kabel/Leitungen nur in einem Gehäuse, das in einer für die Zone zugelassenen Schutzart ausgeführt ist, verbunden werden. Muss aus Gründen der Installation davon abgewichen werden, so sind die Bedingungen aus der Norm EN 60 07914 einzuhalten. Bei eigensicheren Stromkreisen, auch außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs, gilt ferner: • Schutz gegen das Eindringen äußerer Energie. • Schutz gegen äußere elektrische oder magnetische Felder. Mögliche Ursache: Hochspannungsfreileitung oder einphasige Hochspannungsleitungen. • Aderleitungen von eigensicheren und nichteigensicheren Stromkreisen dürfen nicht in derselben Leitung geführt werden. Kabel/Leitungen für die Zone 1 und 2 Kabel/Leitung ortsfeste Betriebsmittel Anforderung Mantel ortsveränderliche, transpor­table Betriebsmittel Außenmantel Mindestquerschnittsfläche flexible Kabel und Leitungen Ausführung Kenndaten 32 Phoenix CONTACT Thermoplast, Duroplast, Elastomer oder metallisoliert mit Metallmantel Schwerem Polychloropren, synthetischem Elastomer, schwere Gummischlauchleitung oder vergleichbarer robuster Aufbau • leichte Gummischlauchleitung ohne/mit Polychloroprenummantelung • schwere Gummischlauchleitung ohne/mit Polychloroprenummantelung • kunststoffisolierte Leitung, vergleichbar schwere Gummischlauchleitung Im Schaltschrank sollen die eigensicheren Stromkreise eindeutig gekennzeichnet sein. Die Norm schreibt kein einheitliches Verfahren vor, weist lediglich darauf hin, dass die Kennzeichnung bevorzugt durch eine hellblaue Farbe erfolgen soll. Meist werden die Neutralleiter von (Cc und Lc) oder (Cc und Lc/Rc) im Zweifel: worst-case Grund Schirm hat hohen Widerstand, zusätzliche Abschirmung gegen induktive Störeinflüsse Bedingungen Robuster Erdleiter (min. 4 mm2), isolierter Erdleiter und Schirm: Isolationsprüfung 500 V, beide an einem Punkt geerdet, Erdleiter erfüllt die Anforderungen der Eigensicherheit und wird beim Nachweis berücksichtigt b Potentialausgleich zwischen beiden Enden Es ist im höchsten Maß sichergestellt, dass ein Potentialausgleich über den gesamten Bereich besteht, in dem der eigensichere Stromkreis installiert ist. c Mehrfacherdung über kleine Kondensatoren Gesamtkapazität nicht über 10 nF a 1,0 mm2 • In mehradrigen Kabeln oder Leitungen dürfen mehrere eigensichere Stromkreise geführt werden. • Bei bewehrten, metallummantelten oder geschirmten Kabeln/Leitungen können eigensichere und nichteigensichere Stromkreise in ein und demselben Kabelkanal verlegt werden. Auswahlkriterien für Kabel/Leitungen bei Zündschutzart Eigensicherheit Kriterium Bedingung Anmerkung isolierte Prüfspannung ≥ 500 V AC Leiter-Erde, Leiter-Schirm ≥ 750 V DC und Schirm-Erde Kabel/Leitungen Durchmesser ≥ 0,1mm auch bei feindrahtigen einzelner Leiter Leitern feindrahtige gegen Aufspleißen z.B. durch Aderendhülsen Leitungen schützen mehradrige Kabel/ zulässig Bedingungen der FehlerbeLeitungen trachtung berücksichtigen aus EN 60079-14 Sonderfälle zur Erdung leitender Schirme in eigensicheren Stromkreisen Energiekabeln auch mit blauer Farbe gekennzeichnet. Dann sollte eine andere Kennzeichnung von eigensicheren Stromkreisen verwendet werden, um eine Verwechslung auszuschließen. Von Vorteil ist die übersichtliche Anordnung und räumliche Trennung im Schaltschrank. Die Erdung leitender Schirme darf nur an einer Stelle erfolgen, die sich üblicherweise im nichtexplosionsgefährdeten Bereich befindet. Siehe hierzu auch den Abschnitt „Erdung in eigensicheren Stromkreisen“ (Seite 31) und die Tabelle Seite 33. Abstand zwischen nicht-Ex i und Ex i Stromkreise zur SPS im sicheren Bereich Eigensichere Stromkreise Abstände an Anschlussklemmen Zwischen verschiedenen eigen­ sicheren Stromkreisen Die Luftstrecken zwischen Klemmen verschiedener eigensicherer Stromkreise müssen mindestens 6 mm betragen. Die Luftstrecken zwischen den leitenden Teilen der Anschlussklemmen und leitenden Teilen, die geerdet sein können, muss mindestens 3 mm betragen. Eigensichere Stromkreise müssen deutlich gekennzeichnet sein. Zwischen eigensicheren und anderen Stromkreisen Der Abstand an Reihenklemmen zwischen den leitenden Teilen von eigensicheren Stromkreisen und den leitenden Teilen von nicht eigensicheren Stromkreisen muss mindestens 50 mm betragen. Der Abstand kann auch durch eine Trennplatte aus Isolierstoff oder durch eine geerdete Metallplatte hergestellt werden. Kabel/Leiter von eigensicheren Stromkreisen dürfen selbst dann, wenn sie sich an der Reihenklemme lösen sollten, nicht mit einem nicht-eigensicheren Stromkreis in Kontakt kommen. Bei der Installation sind die Kabel/Leiter entsprechend einzukürzen. Abstände nach EN 60079,Abschnitt 6.2.1 bzw. Bild 1. Spezielle Anforderungen in Zone 0, Europa Die Norm EN 60079-26 „Spezielle Anforderungen an Konstruktion, Prüfung und Kennzeichnung elektrischer Betriebsmittel für Gerätegruppe II, Kategorie 1G“ ergänzt die EN 60079-Reihe. Hier werden weitere Anforderungen beschrieben, um Betriebsmittel auch in anderen Zündschutzarten als Eigensicherheit in der Zone 0 einzusetzen. Hellblaues Kabel in Ex-Zone Installation eigensicherer Stromkreise 2.1 2.1 Installation eigensicherer Stromkreise Phoenix CONTACT 33 2.2 Überspannungsschutz im Ex-Bereich Überspannungsschutz eigensicherer Stromkreise Überspannungen, meist verursacht durch Schalthandlungen, Sicherungsauslösungen, Frequenzumformern oder Blitzeinwirkungen, sind ein wichtiges Thema, wenn es um den Funktionserhalt und die Verfügbarkeit von elektrischen Anlagen geht. Bei diesen Störgrößen handelt es sich um zeitlich schnell veränderliche Störimpulse (Transienten), die in wenigen Mikrosekunden Amplituden von mehreren Kilovolt erreichen. Kommt es zu Überspannung entstehen gefährliche Potenzialdifferenzen, die u.a. Fehlsteuerungen, kurzzeitige Funktionsunterbrechungen oder im ungünstigsten Fall auch Zerstörungen zur Folge haben. Nur der konsequente Einsatz von Überspannungsschutzableitern (kurz SPD, Surge Protective Device) an den zu schützenden Geräten, sorgt für eine Begrenzung der hervorgerufenen Potenzialdifferenzen auf ungefährliche Werte. SPDs in EX-Zonen müssen zur Vermeidung gefährlicher Potenzialdifferenzen aufgrund von Überspannungen den Anforderungen der DIN EN 60079-14 genügen. Hierin ist gefordert, dass mindestens 10 Impulse der Impulsform 8/20 µs mit einem MindestableitstoßGDT 2 1 Überspannungsschutzgerät PLUGTRAB PT 2xEX(I) ÜSG SURGETRAB (Durchgangs- oder Parallelverdrahtung S-PT-EX(I)-24DC S-PT-EX-24DC (Kennzeichnung nach ATEX) strom von 10 kA sicher beherrscht werden müssen, wenn gefährliche Potenzialdifferenzen in die EX-Zone 0 eingekoppelt werden können. Diese Anforderung wird durch die Nutzung von Gasentladungsableitern (GDT) erreicht (Abbildung: Schutzbeschaltung des SPD SP-PT-EX(I)-24DC). Die geforderte Isolationsfestigkeit von 500 V gegen Erde nach DIN EN 60079-11 wird durch den speziell bemessenen GDT 2 erreicht. Betriebsmittel besitzen meist eine Isolationsfestigkeit von 1,5 kV gegen Erde, die Spannungsfestigkeit zwischen den Adern beträgt oft nur ein paar hundert Volt oder weniger. Während zur Aufrechterhaltung der Isolationsfestigkeit bei Transienten ein GDT ausreicht, müssen zusätzliche Suppressordioden für die Spannungsfestigkeit zwischen den Adern ΔU GDT 1 UG US Suppressordiode 2 Entkopplungs­ widerstand IN sorgen. Diese Halbleiterbauelemente zeichnen sich durch ein sehr schnelles Ansprechen bei Transienten und einer engen Spannungsbegrenzung aus – ihr Ableitvermögen beträgt aber nur ein paar hundert Ampere. Mehrstufig aufgebaute SPDs, wie der SURGETRAB sind daher zu empfehlen. Im Falle einer Transiente begrenzt die Suppressordiode so lange, bis die Summe aus Restspannung der Suppressordiode US und dem Spannungsabfall an den Entkopplungswiderständen ∆U, der Ansprechspannung des GDT 1 UG entspricht (Kirchhoffsche Regel). Während also die Supressordiode zwischen den Adern für ein schnelles Ansprechen bei gleichzeitig niedrigen Schutzpegel sorgt, wird mit dem GDT ein hohes Ableitvermögen von 10 kA erreicht. In der Praxis ist es vorteilhaft noch am Einbauort entscheiden zu können, ob der Schirm direkt oder indirekt über einen GDT mit der Erde kontaktiert werden soll. Dieses kann, wie im Fall des SURGETRAB durch das Heraustrennen einer vorinstallierten Brücke am GDT 3 erfolgen (vgl. Schaltbild). OUT Brücke Schirm GDT = Gasentladungsableiter Schutzbeschaltung des SPD S-PT-EX(I)-24DC 34 Phoenix CONTACT Überspannungsschutz im Ex-Bereich 2.2 Beispiel Hochtanklager Eine Füllstandsmessung an einem Tank ist oftmals über lange Leitungswege von z.B. 100 m mit der Messwarte verbunden. Im Inneren des Tanks liegt aufgrund der dauerhaft vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre die EX-Zone 0 vor. Die Messwerte werden aufgrund der Unempfindlichkeit gegen äußere Einkopplungen als Stromsignal (4-20 mA) an die Messwarte übertragen. Um die unzulässig hohen Potentialdifferenzen der Erdungsanlage zu vermeiden, wird zunächst ein Potentialausgleich zwischen Messwarte und den Hochtanks errichtet. Für das hier gezeigte Fallbeispiel wird ein Blitzeinschlag von 30 kA mit einem 10/350 µs Impuls* angenommen. Während eine Hälfte des Stromes über die Erde abfließt gelangt die Andere unmittelbar in die Anlage. Somit wird angenommen, dass 15 kA über die Potentialausgleichsleitung zur Messwarte hin fließen. Bei einem Kupferquerschnitt der Potentialausgleichsleitung von 95 mm2 ergibt sich die nachfolgende Berechnung für den ohmschen Spannungsfall zwischen Messwarte und Hochtank: ÛR = îB I • RCU mit RCU = ∂ • und 2 A ∂ =17,3 mΩ • mm m 2 30 kA mΩ • mm2 100 m ÛR = • 17,3 • 2 m 95 mm2 ÛR = 273 V 100 m OUT 0 50 Die Leitung besitzt neben einem Widerstandsbelag jedoch auch einen Induktivitätsbelag L‘. Für einen runden Kupferleiter wird in der Praxis ein querschnittsunabhängiger Induktivitätsbelag von L’ ≈ 1 µH/m angenommen. Fließt der zuvor definierte Blitzstrom in Höhe von 15 kA der Impulsform 10/350 µs entlang des Potentialausgleichleiters in Richtung Messwarte wird nach dem Induktionsge- 2.2 Überspannungsschutz im Ex-Bereich IN IN OUT 100 % IN S-PT-EX(I)-24 DC Ci2= 2 nF Li2 = 1 μH Ui = 30 V Ii = 350 mA Pi = 3 W Ui =30 V Ii =200 mA Pi =1 W Ci1=0 nF Li1=20 nH Nachweis der 1. Uo ≤ Ui 2. Ci1 + Ci2 3. Lo1 + Li2 RCU OUT 4…20 mA // CLeitung= 20 nF LLeitung = 100 μF Eigensicherheit Io ≤ Ii Co ≤ Ci + CLeitung + Ci3 ≤ Co + LLeitung + Li3 ≤ Lo SPS PT 2x EX(I)-24DC Ci3= 1,3 nF Li3 = 1 μH Ui = 30 V Ii = 325 mA Pi = 3 W MACX Analog Ex RPSSI/I Uo= 28 V Io = 93 mA Po = 650 mW Co= 83 nF Lo = 4,3 mH // L Füllstandsmessung: Schutz durch SURGETRAB S-PT-EX(I)-24DC in Durchgangsverdrahtung und PLUGTRAB PT-2xEX(I)-24DC 100 m 0 50 // S-PT-EX-24 DC Ci2= 1,65 nF Li2 = 1 μH Ui = 36 V Ii = 350 mA Pi = 3 W 100 % IN OUT 4…20 mA IN OUT // CLeitung= 20 nF LLeitung = 100 μF Ci =30V Ii =200 mA Pi =1 W Ci1=0 nF Li1=20 nH Nachweis der 1. Uo ≤ Ui 2. Ci1 + Ci2 3. Li1 + Li2 RCU Eigensicherheit Io ≤ Ii Po ≤ Pi + CLeitung + Ci3 ≤ Co + LLeitung + Li3 ≤ Lo L SPS PT 2x EX(I)-24DC Ci3= 1,3 nF Li3 = 1 μH Ui = 30 V Ii = 325 mA Pi = 3 W MACX MCR-EX-SLRPSSI-I-UP Uo= 28V Io = 93 mA Po = 650 mW Co= 83 nF Lo = 4,3 mH // Füllstandsmessung: Schutz durch SURGETRAB S-PT-EX-24DC in Parallelverdrahtung und PLUGTRAB PT 2xEX(I)-24DC setz ein induktiver Spannungsfall in Höhe von 150 kV generiert: UL (t) = - L • Die Kombination aus Potentialausgleichsleitungen und der normativen geforderten Isolationsfestigkeit von 500 V scheint auf den ersten Blick einen ausreichenden Schutz vor Blitzteilströmen in eigensicheren Systemen zu bieten. // diB(Teil) dt ÛL (t) ≈ - L‘• I • ÛL ≈ -1 ΔiB(Teil) Δt μH 15 kA • 100 m • m 10 μs ÛL ≈ -150 kV Eigensichere Stromkreise, die zwischen Hochtank und Messwarte verlaufen, werden somit zerstört. Nur durch den konsequenten Einsatz von Überspannungsschutzgeräten kann dieser Effekt vermieden werden. Der Installationsort eines SPD sollte sich dabei so nah wie praktisch möglich an der Einführung in die Zone 0 befinden. Der Abstand von 1 m sollte nicht überschritten werden. Die Leitungen zwischen dem Messwertaufnehmer und dem SPD müssen so ausgeführt sein, dass sie gegen direkte Blitzbeeinflussung geschützt sind. Eine Leitungsverlegung in einem Metall-Installationsrohr ist hier eine Möglichkeit. Für den Überspannungsschutz von Sensorköpfen sind SPDs wie der SURGETRAB empfehlenswert, welche speziell für diese Anwendung entwickelt wurden. Sie werden direkt in den Leitungszug eingebunden und in den zu schützenden Sensorkopf eingeschraubt. * 10/350 µs = Impuls-Anstiegszeit 10 µs, Rückhalbwertszeit 350 µs Phoenix CONTACT 35 2.3 Verbindungstechnik Typenschild Kennzeichnungsanforderung nach EN/IEC 60079-0 für ATEX und IECEx Name oder Warenzeichen des oder Herstellers Typenbezeichnung QTC 2,5 Kennzeichnung der Zündschutzart Ex e II EG-Baumusterprüfbescheinigungs­nummer KEMA 05 ATEX 2148 U nach ATEX Zertifikatsnummer nach IECEx IECEx KEM 07.0010 U Reihenklemmen Reihenklemmen bei Erhöhter Sicherheit Ex e Reihenklemmen müssen den Anforderungen für den Anschluss äußerer Leiter entsprechen. Die Grundlage für die Prüfung bilden die Normen für die Erhöhte Sicherheit EN 60079-7. Neben den Typprüfungen der Produktnorm lassen sich die zusätzlichen Anforderungen für die erhöhte Sicherheit wie folgt zusammenfassen: • ausreichend große Luft- und Kriechstrecken temperatur- und alterungsbeständige Isolierstoffe • Schutz vor Ausweichen des Leiters während des Anschlusses • gegen Selbstlockern gesichert • Anschluss frei von Leiterbeschädigungen • dauerhaft ausreichender Kontaktdruck • Kontaktsicherheit bei wechselnden Temperaturen • keine Kontaktdruckübertragung über Isolierstoff • Mehrleiteranschluss nur bei geeigneten Klemmstellen • elastisches Zwischenglied bei mehrdrähtigen Leitern ab 4 mm² • festgelegtes Drehmoment bei Schraubanschlussklemmen Verpackungsetikett Die technischen Daten für Reihenklemmen im Ex-Bereich werden durch die Baumusterprüfung festgelegt und in der Bescheinigung dokumentiert. Die grundlegenden Daten für die Anwendung von Reihenklemmen und Zubehör sind: • Bemessungsisolationsspannung, • Bemessungsspannung, • anschließbare Leiterquerschnitte, • Einsatztemperaturbereich, • Temperaturklasse. Reihenklemmen werden als bescheinigte Komponenten im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt. Sie finden Anwendung in Anschlussräumen von ExBetriebsmitteln. Damit ist der Einsatz in Zone 1 und 2 bei Gasen bzw. 21 und 22 bei Stäuben erlaubt. Die Anforderungen für den IPSchutz werden entsprechend der jeweiligen Zündschutzart durch den Anschlussraum erfüllt. Die Bescheinigung von Komponenten dient als Grundlage zur Zertifizierung eines Gerätes oder Schutzsystems. Durch die Bescheinigungsnummer (Zusatz „U“ nach europäischer Norm) bzw. dem Zulassungszeichen (z.B. UL: Recognition Mark ) wird die Reihenklemme als Komponente ausgewiesen. Für Reihenklemmen der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit Ex e besteht eine Kennzeichnungspflicht. Kennzeichnungsanforderung lt. ATEX-Richtlinie 94/9/EG, Anhang II Name und Anschrift des Herstellers Am Beispiel der Type QTC 2,5 werden die Elemente der Kennzeichnung beschrieben. Typenbezeichnung Herstellungsdatum Kenn-Nr. der benannten Stelle (KEMA) Baumustergeprüft nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG 13.09.2010 (Beispiel) 0344 X Kategorie 2 Gerätegruppe II Kennbuchstabe für den Gasexplosionsschutz G Kennbuchstabe für den Staub­explosionsschutz D Wichtige Hinweise: Reihenklemmen sind für den Einsatz in der Temperaturklasse T6 vorgesehen. Angaben zu anderen Temperaturklassen sowie dem Einsatztemperaturbereich enthält die EG-Baumusterprüfbescheinigung und die Installationsanweisung. Für die Anwendung der Klemmen ist die Installationsanweisung auch bezüglich der Verwendung von Zubehör zu beachten! Reihenklemme in Ex e 36 Phoenix CONTACT D-32825 Blomberg QTC 2,5 Verbindungstechnik 2.3 2.3 Verbindungstechnik Reihenklemme im Ex e-Gehäuse Phoenix CONTACT 37 Reihenklemmen bei Eigensicherheit Ex i Bei der Zündschutzart Eigensicherheit werden an Leiteranschlüsse keine besonderen Anforderungen bezüglich gesicherter Schrauben, Lötverbindungen, Steckverbindungen usw. gestellt. Es besteht keine Explosionsgefahr, weil in nachweislich eigensicheren Kreisen Strom, Spannung und Leistungswerte ausreichend gering sind. Reihenklemmen und Steckverbinder gelten in der Eigensicherheit als passive Bauelemente. Daher sind für sie keine speziellen Typprüfungen vorgesehen. Dennoch werden strenge Anforderungen an die Luftstrecken zwischen benachbarten Klemmen und zwischen Klemmen und geerdeten Metallteilen gestellt. Die Luftstrecke zwischen den äußeren Anschlüssen von zwei benachbarten eigensicheren Stromkreisen muss mindestens 6 mm betragen. Die Mindestluftstrecke zwischen nicht isolierten Anschlüssen und geerdeten Metall- oder anderen leitenden Teilen braucht dagegen nur 3 mm zu betragen. Luft- und Kriechstrecken, sowie Abstände durch feste Isolierung sind z.B. in der EN 60079-11, Abschnitt 6.3 und Tabelle 5 festgelegt. Für passive Bauelemente wie z.B. Reihenklemmen und Steckverbinder ist keine spezielle Kennzeichnung vorgesehen. Allerdings ist zur deutlichen Kennzeichnung von eigensicheren Stromkreisen eine blaue Einfärbung der Klemmgehäuse üblich. Ex e- und Ex i-Reihenklemmen im gleichen Gehäuse In elektrischen Betriebsmitteln, wie z.B. Klemmenkästen, können sowohl eigensichere (Ex i) als auch Stromkreise der erhöhten Sicherheit (Ex e) kombiniert werden. Eine sichere mechanische und gegebenenfalls auch optische Trennung ist hier vorgeschrieben. Es muss dabei berücksichtigt werden, dass beim Lösen der Verdrahtung von der Reihenklemme einzelne Leiter nicht mit leitenden Teilen der jeweils anderen Stromkreise in Berührung kommen. Der Abstand zwischen den Reihenklemmen muss mindestens 50 mm betragen. Hierbei sind auch die üblichen Verdrahtungsverfahren zu beachten, damit eine Berührung zwischen den Stromkreisen auch dann, wenn sich ein Leiter löst, unwahrscheinlich ist. In Schaltschränken mit einer höheren Verdrahtungsdichte wird diese Trennung durch entweder isolierende oder geerdete metallische Trennwände erreicht. Auch hierbei muss der Abstand zwischen eigensicheren und nicht eigensicheren Stromkreisen 50 mm betragen. Gemessen wird dabei in alle Richtungen um die Trennwand. Der Abstand darf geringer sein, wenn die Trennwände bis mindestens 1,5 mm an die Gehäusewand heranreichen. Metallische Trennwände müssen geerdet sein und eine genügende Festigkeit und Steifigkeit besitzen. Sie müssen mindestens 0,45 mm dick sein. Nichtmetallische isolierende Trennwände müssen mindestens 0,9 mm dick sein. Die Ex e-Stromkreise müssen im Gehäuse zusätzlich durch eine Abdeckung (mindestens IP30) geschützt sein, wenn während des Betriebes der Deckel geöffnet werden darf. Ansonsten ist das Öffnen nur zulässig, wenn die Ex e-Stromkreise abgeschaltet sind. Entsprechende Warnschilder sind anzubringen. 2.4 Gehäuseeinführungen Kabel-/Leitungseinführung und Conduit System Weltweit finden zwei Installationstechniken Anwendung. In Europa sind Kabel-/Leitungseinführungen in den Zündschutzarten Druckfeste Kapselung oder Erhöhte Sicherheit am weitesten verbreitet. In den USA und Kanada wird traditionell das Rohrleitungssystem (Conduit System) eingesetzt. Luftstrecke durch Trennplatte zwischen eigensicheren und anderen Stromkreisen. Kabel-/Leitungseinführung Die Kabel-/Leitungseinführungen sind am häufigsten in den Zündschutzarten druckfeste Kapselung Ex d oder Erhöhter Sicherheit Ex e ausgeführt. Druckfest gekapselte Kabel-/Leitungsführungen sind zünddurchschlagsicher und werden in Verbindung mit druckfest gekapselten Gehäusen verwendet. Kabel-/Leitungsführungen in Erhöhter Sicherheit werden in Verbindung mit Gehäusen in der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit verwendet. Bei der Auswahl der Kabel-/Leitungsführung sind die Anforderungen an den IP-Schutz des Gehäuses zu berücksichtigen. Conduit System In den USA wird insbesondere Wert auf hohen mechanischen Schutz der Kabel/ Leitungen gelegt. Daher hat sich hier ein Rohrleitungssystem (conduit: englisch Isolierrohr für Leitungsdrähte) stark verbreitet. tion der Öffnung für die Vergussmasse entscheidend. Zudem kann sich in dem Rohrleitungssystem sehr leicht Kondenswasser bilden, das Erdschlüsse und Kurzschlüsse als Folge von Korrosion verursachen kann. Die Kabel-/Leitungseinführung hingegen ist so aufgebaut, dass die Montage unabhängig von dem jeweiligen Monteur ist. Vergleich Kabel-/Leitungseinführung mit Conduit System Die Installation von Conduit Systemen ist im Vergleich zu der Montage von Kabel/Leitungen bzw. Kabel-Leitungseinführungen aufwändiger. Bei der Installation von Conduit Systemen ist darauf zu achten, dass die Zündsperre ordentlich vergossen ist, da ansonsten der Schutz nicht gewährleistet wird. Hierbei ist unter anderem die Posi- Auch bei mehreren Tragschienen müssen Luftstrecken zu eigensicheren und anderen Stromkreisen eingehalten werden. Leitungen (Einzeladern) Vergussmasse Mineralfaserwolle (asbestfrei) Leitungschutzrohr (Ex d) Blaue Einfärbung der Klemmgehäuse für eigensichere Stromkreise 38 Phoenix CONTACT Trennplatte zwischen Tragschiene, um Luftstrecke zu gewährleisten. Verbindungstechnik 2.3 Kabelsystem mit indirekter Einführung 2.4 Gehäuseeinführungen Kabelsystem mit direkter Einführung Conduit System (Rohrleitungssystem) mit Zündsperre (seal) Phoenix CONTACT 39 2.5 Installationsbeispiele Installationsanforderungen Die Abbildung stellt eine Auswahl an Möglichkeiten für die Installation von elektrischen Geräten im gasexplosionsgefährdeten Bereich dar. Spezielle Anforderungen an die Projektierung, Auswahl und Errichtung von elektrischen Anlagen in gasexplosionsgefährdeten Bereichen sind in der EN 60079-14 enthalten. Für die Installation von elektrischen Betriebsmitteln in Bereichen mit brennbarem Staub ist die EN 61241-14 zu beachten. Weitere wichtige Bestandteile beim Betrieb von Anlagen in explosions- gefährdeten Bereichen sind die Prüfung, Instandhaltung und Reparatur. Festlegungen dazu sind in der EN 60079-17 und EN 60079-19 zu finden. Beispiel für die Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung In Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen ergeben sich für elektrische Betriebsmittel je nach Anwendung unterschiedliche Einsatzanforderungen. Es können sich z.B. bei analoger Signalübertragung folgende Einsatzbereiche für elektrische Betriebsmittel ergeben: • Sensoren/Aktoren können sich in Zone 0, Zone 1 oder Zone 2 befinden • Signalübertrager können sich in der Zone 1, Zone 2 oder im sicheren Bereich befinden. • Steuerung, z.B. SPS, im sicheren Bereich Beispiele für die Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung sind in der Abbildung auf Seite 41 zu sehen. Eigensichere Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich Für die Installation von Sensoren/Aktoren in der Zone 0 werden diese vorwiegend in der Zündschutzart Eigensicherheit Ex ia ausgeführt. Die eigensicheren Sensoren/Aktoren werden an zugehörige Betriebsmittel in der Zündschutzart Eigensicherheit [Ex ia] wie z.B. MACX MCR-Ex Trenner angeschlossen. In der EG-Baumusterprüfbescheinigung des Ex i-Trenners sind die für die Auslegung des eigensicheren Stromkreises erforderlichen sicherheitstechnischen Daten angegeben. Die MACX MCR-Ex Trenner sorgen zusätzlich für eine galvanische Trennung des Stromkreises zu einer Steuerung vom Sensor-/Aktorstromkreis. Sind Ex i-Trenner nur in der Zündschutzart [Ex ia] ausgelegt, dürfen sie nur außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches installiert werden. Wenn eine Installation der Ex i-Trenner im 40 Phoenix CONTACT explosionsgefährdeten Bereich erforderlich ist, sind sie geschützt durch eine weitere Zündschutzart wie z.B. Druckfeste Kapselung zu installieren. Wird ein Ex i-Trenner in einem druckfest gekapselten Gehäuse montiert, ist die Installation auch in der Zone 1 möglich. Ex i-Trenner können aber auch zusätzlich zur Eigensicherheit [Ex ia] in einer weiteren Zündschutzart ausgelegt sein, z.B. in der Zündschutzart „n“. Dann dürfen sie unter Berücksichtigung besonderer Bedingungen auch direkt in der Zone 2 installiert werden. Die Bedingungen für die Installation sind in der Betriebsanleitung der Ex i-Trenner aufgeführt und können z.B. die Verwendung eines geeigneten und zugelassenen Gehäuses (EN 60079-15 und EN 600790) mit mind. Schutzklasse IP54 enthalten. Besondere Bedingungen für die Installation in ein Gehäuse sind aber meistens nur dann erforderlich, wenn das Gehäuse des Ex i-Trenners die Anforderungen der EN 60079-15 und EN 60079-0 selbst nicht erfüllt. Die Ex i-Trenner können auch für Sensoren/Aktoren, die in der Zündschutzart Ex ib bzw. Ex ic ausgelegt und für die Zone 1 bzw. 2 zugelassen sind, eingesetzt werden. Nichteigensichere Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich Neben der eigensicheren Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich gibt es auch Sensoren/Aktoren, die in anderen Zündschutzarten ausgelegt sind, z.B. in Druckfester Kapselung oder in der Zündschutzart „n“. Hierfür ist die Verwendung von nichteigensicheren Trennern z.B. MINI-Analog zulässig. Auch nichteigensichere Trenner müssen beim Einsatz in der Zone 2 in einer geeigneten Zündschutzart ausgelegt sein. Die MINI-Analog Familie ist hierzu in der Zündschutzart „n“ ausgelegt und muss in der Zone 2 in ein geeignetes und zugelassenes Gehäuse (EN 60079-15 und EN 60079-0) mit mind. Schutzklasse IP54 installiert werden. Ein Sensor/Aktor der Zündschutzart „n“ kann in der Zone 2 z.B. mit einem MINITrenner oder mit einem Ex i-Trenner verbunden werden. Wird er mit einem Ex i-Trenner verbunden, kommt das Schutzprinzip der Eigensicherheit nicht mehr zum Tragen. Der Ex i-Trenner ist als nichteigensicherer Trenner zu kennzeichnen, um sicherzustellen, dass er nicht mehr in eigensichere Stromkreise eingesetzt wird. Bei der Auswahl der geeigneten Geräte für die Zone 2 ist darauf zu achten, dass die elektrischen Daten der Sensoren/ Aktoren nicht überschritten werden. Werden die Sensoren/Aktoren in einem druckfest gekapselten Gehäuse montiert oder haben sie selbst ein druckfest gekapseltes Gehäuse, ist die Installation auch in der Zone 1 möglich. Für den Einsatz von Sensoren/Aktoren in der Zone 2 ist auch die Zündschutzart „n“ geeignet. Zone 0 Zone 1 Zone 2 MACX-Ex [Ex ia] Ex n Sensor/ Aktor Ex ia MACX-Ex [Ex ia] Ex n Sensor/ Aktor Ex ic MACX-Ex [Ex ia] Ex n Sensor/ Aktor Ex ia MACX-Ex [Ex ia] Ex n Sensor/ Aktor Ex ib Gehäuse IP 54* Gehäuse z.B. Ex d Sensor/ Aktor Ex ia MACX-Ex [Ex ia] Ex n Gehäuse z.B. Ex d MINI Ex n Sensor/ Aktor Sensor/ Aktor Ex n MINI Ex n Gehäuse IP 54* Sensor/ Aktor Ex n MINI Ex n Sicherer Bereich * Verwendung eines geeigneten, für den Einsatz in Zone 2 zugelassenen Gehäuses Installationsbeispiele 2.5 2.5 Installationsbeispiele Phoenix CONTACT 41 2.6 Nachweis der Eigensicherheit Analog IN Funktion: Die Geräte übertragen analoge Signale von Sensoren aus dem Feld galvanisch getrennt an eine Steuerung. Eingangstrenner: Der Sensor im Feld wird vom Eingangs­ trenner nicht mit Energie versorgt. Allgemeine Betrachtungen Der Betreiber legt auf Grund der durchgeführten Risikoanalyse die Zone, die Gruppe und die Temperaturklasse für das Feldgerät fest. Bei der Auswahl der geeigneten Geräte für den vorgesehenen Anwendungsfall sind folgende Vergleiche durchzuführen. Vergleich der Kennzeichnung eines eigensicheren Feldgerätes in der Zone 0 und eines zugehörigen Betriebsmittels Feldgerät Bewertung der Ex-Kennzeichnung X II 1 G Ex ia IIB T6 Kategorie des Feldgerätes entspricht der festgelegten Zone X II 1 G Ex ia IIB T6 X II 1 G Ex ia IIB T6 X II 1 G Ex ia IIB T6 X II 1 G Ex ia IIB T6 X II 1 G Ex ia IIB T6 Beschreibung sicherheitstechnischer Daten Beschreibung für Feldgerät: max. max. max. max. Eingangsspannung Eingangsleistung innere Kapazität innere Induktivität für zugehörige Betriebsmittel: max. max. max. max. Ausgangsspannung Ausgangsleistung äußere Kapazität äußere Induktivität für Kabel/Leitung: Kabel-/Leitungskapazität Kabel-/Leitungsinduktivität 42 Phoenix CONTACT Kurzzeichen Zugehöriges Betriebsmittel Zündschutzart ist in der festgelegten Zone zulässig Das Gerät für die Verwendung in der vorhandenen Gasatmosphäre zulässig Zugehöriges Betriebsmittel ist als solches mit Klammern gekennzeichnet X II (1) G [Ex ia] IIC Kategorie des zugehörigen Betriebsmittels entspricht mindestens der Kategorie des Feldgerätes X II (1) G [Ex ia] IIC Zündschutzart des zugehörigen Betriebsmittels passt zu der des Feldgerätes X II (1) G [Ex ia] IIC Das zugehörige Betriebsmittel ist für die gleiche oder eine höherwertige Gasgruppe zugelassen. X II (1) G [Ex ia] IIC Cc Lc Sicherer Bereich SPS Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z.B. MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I X II (1) G [Ex ia] IIC Feldgerät X II 1 G Ex ia IIB T6 Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung für einen Speisetrenner Feld­gerät* Hart-Speisetrenner: Zusätzlich aufmoduliertes digitales Datensignal wird übertragen. Kabel/Leitung Zugehöriges Betriebsmittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I Ui ≥ Uo 25,2 V Ii ≥ Io 93 mA 587 mW ≥ Po Ci + Cc (ca. 140…200 nF/km) ≤ Co IIC: 107 nF Li + Lc (ca. 0,8…1 mH/km) ≤ Lo IIC: 2 mH Pi * Die Werte für das Feldgerät sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu entnehmen. Dieser Vergleich basiert auf der Annahme, das Ci < 1% vom Co ist und Li < 1% von Lo ist. Analog OUT Funktion: Die Geräte übertragen analoge Signale von einer Steuerung galvanisch getrennt an einen Aktor im Feld. Beispiel einer Schaltung Ausgangstrenner: Der Ausgangstrenner kann auch smartfähig sein. Somit können Aktoren im Feld durch HART-Protokoll konfiguriert werden. Dimensionierung eigensicherer Stromkreise Beispiel einer Schaltung Speisetrenner: Stellt dem Sensor zusätzlich die benötigte Energie zur Verfügung. Sicherer Bereich Ui Ii Ci Li Uo Io Co Lo Beispiel einer Schaltung Sicherer Bereich SPS Feldgerät X II 1 G Ex ia IIB T6 Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z.B. MACX MCR-EX-SL-IDSI-I X II (1) G [Ex ia] IIC Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung Feld­gerät* SPS Feldgerät X II 1 G Ex ia IIB T6 Ui Ii Pi Ci Li Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z.B. MACX MCR-EX-SL-RPSS EI X II (1) G [Ex ia] IIC + Cc + Lc ≥ ≥ ≥ ≤ ≤ Kabel/Leitung Beispiel MACX MCR-EX-SL-IDSI-I Ui ≥ Uo 27,7 V Ii ≥ Io 92 mA ≥ Po 636 mW Ci + Cc (ca. 140…200 nF/km) ≤ Co IIC = 85 nF Li + Lc (ca. 0,8…1 mH/km) ≤ Lo IIC = 2 mH Pi Uo Io Po Co Lo Zugehöriges Betriebsmittel * Die Werte für das Feldgerät sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu entnehmen. Dieser Vergleich basiert auf der Annahme, das Ci < 1% vom Co ist und Li < 1% von Lo ist. Nachweis der Eigensicherheit 2.6 2.6 Nachweis der Eigensicherheit Phoenix CONTACT 43 Dimensionierung Digital IN RI NAMUR-Trennschaltverstärker Die Geräte übertragen binäre Signale von Sensoren aus dem Feld über eine galvanische Trennung an die Steuerung. Dieses Signal wird im Feld von einem Schalter oder einem NAMUR-Sensor erzeugt. Das Signal wird auf der Ausgangsseite des Trennschaltverstärkers entweder durch ein Relais oder durch einen Transistor als binäres Signal an die Steuerung weitergegeben. Durch eine zusätzliche Widerstandsbeschaltung kann auch bei einfachen Schaltern eine Drahtbrucherkennung realisiert werden. 1 1 Beispiel einer Schaltung mit Drahtbruch­ erkennung 3 ohne Drahtbruch­ erkennung Über den Widerstand wird gewährleistet, dass ein minimaler Strom ständig fließt, auch wenn der Schalter geöffnet ist. So kann ein Leitungsbruch identifiziert werden. 44 Phoenix CONTACT 1. Prüfung der sicherheitstechnischen Daten ISV Magnetventil Ventiltrenner RSV UV Vergleich der sicherheitstechnischen Daten aus der Ex-Zulassung USV Feld­­ gerät* SPS Feldgerät X II 1 G Ex ia IIB T6 Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z.B. MACX MCR-EX-SL-NAM-R X II (1) G [Ex ia] IIC Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung Feld­gerät* Kabel/Leitung Zugehöriges Betriebsmittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-NAM-R Ui ≥ Uo 9,6 V Ii ≥ Io 10 mA ≥ Po 25 mW Ci + Cc (ca. 140…200 nF/km) ≤ Co IIC = 510 nF Li + Lc (ca. 0,8…1 mH/km) ≤ Lo IIC = 100 mH * Die Werte für das Feldgerät sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu entnehmen oder bei einfachen elektrischen Betriebsmitteln besonders zu ermitteln. Dieser Vergleich basiert auf der Annahme, das Ci < 1% vom Co ist und Li < 1% von Lo ist. Bei einfachen elektrischen Betriebsmitteln, z.B. einfachen Schaltern, fließen nur die Induktivitäts- und Kapazitätswerte der Kabel/Leitungen in den Vergleich der sicherheitstechnischen Daten ein. Weitere Anforderungen an "einfache elektrische Betriebsmittel" siehe Seite 21. Digital OUT Ventilsteuerbaustein Ventilbausteine verbinden einen im sicheren Bereich installierten Schalter bzw. eine Spannungsquelle galvanisch getrennt mit einem Feldgerät. Es können eigensichere Magnetventile, Alarmbausteine oder andere eigensichere Geräte angeschlossen sowie einfache elektrische Betriebsmittel wie z.B. LEDs betrieben werden. RC Sicherer Bereich Pi 3 IV Beispiel für den Ventilsteuerbaustein MACX MCR-EX-SL-SD-24-48-LP Beispiel einer Schaltung Sicherer Bereich Ri = Innenwiderstand des Ventiltrenners Uv = Garantierte Spannung des Ventil­ trenners ohne Last Rc = Maximal zulässiger Leitungswiderstand bei der Zusammenschaltung von Ventiltrenner und Ventil Rsv= Wirksamer Spulenwiderstand des Magnetventils (Der Kupferwiderstand der Wicklung ist von der Umgebungstemperatur abhängig) Iv = Maximaler Strom, den der Ventil­ trenner liefern kann Isv = Strom, den die Magnetspule benötigt, damit das Ventil anziehen kann bzw. gehalten werden kann Usv= Spannung, die bei ISV an der Spule anliegt (Kupferwiderstand der Wicklung ist von der Umgebungstemperatur abhängig) Die Dimensionierung erfolgt in mehreren Schritten. 1.Prüfung der sicherheitstechnischen Daten Ui ≥Uo Ii ≥Io Pi ≥Po 2.Prüfung der Funktionsdaten Iv ≥Isv 3.Ermittlung des max. zulässigen Leitungswiderstands Uv Rc = - Ri - Rsv Isv Rc>0 Ω, ansonsten ist die Funktion nicht gewährleistet. Beispiel Ventil Kabel/ Leitung Beispiel 100 m Zugehöriges Betriebsmittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-SD-24-48-LP Ui 28 V ≥ Uo 27,7 V Ii 115 mA ≥ Io 101 mA Pi 1,6 W ≥ Po 697 mW Ci vernachlässigbar klein +Cc + 18 nF ≤ Co 80 nF Li vernachlässigbar klein +Lc + 0,08 mH ≤ Lo 5,2 mH * Die Werte für das Feldgerät sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu entnehmen. 2. Prüfung der Funktionsdaten Ventiltrenner UV = 21 V, Ri = 133 Ω, IV = 45 mA Ventil RSV 65 °C = 566 Ω, Isv = 23 mA Iv ≥ Isv Daraus folgt, dass der maximale Strom, den der Ventilsteuerbaustein liefern kann, für den Betrieb der Magnetspule ausreicht. 3. Ermittlung von RC Rc= 21,9 V Uv - Ri - Rsv = - 566 Ω - 133 Ω = 253,2 Ω Isv 0,023 A Aus der Berechnung ergibt sich, dass für die Leitung ein Widerstand von 253,5 Ω zur Verfügung steht. Empfehlung: Für die Funktion des Ventils sollte der tatsächliche Leitungswiederstand eine Reserve von 25 Ω haben. Bei einem Leistungsquerschnitt von 0,5mm2 beträgt die maximal mögliche Leitungslänge 3,17 km, bei einer Reserve von 25 Ω. Da aber sicherheitstechnische Daten aus der Ex-Zulassung ebenfalls zu berücksichtigen sind, beträgt die maximal zulässige Leitungslänge im Beispiel 444 m. Richtwert für Kabel/Leitungen SPS Feldgerät X II 1 G Ex ia IIB T6 Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z.B. MACX MCR-EX-SL-SD-24-48-LP X II (1) G [Ex ia] IIC Nachweis der Eigensicherheit 2.6 Leiterwiderstand (Hin-/Rückleitung) Kabelkapazität Kabelinduktivität 0,5 mm2 : 72 Ω/km 0,75 mm2 : 48 Ω/km 1,5 mm2 : 24 Ω/km ca. 180 nF/km ca. 0,8 mH/km 2.6 Nachweis der Eigensicherheit Phoenix CONTACT 45 Temperaturmessung Temperaturmessumformer Temperaturmessumformer wandeln Messsignale von veränderlichen Widerständen (z.B. Pt100 usw.) oder Thermoelementen (z.B. J, K) in Standardsignale 0…20 mA, 4…20 mA um. Bei Pt100-Widerständen kann die 2-, 3-, oder 4-Leiter-Messtechnik Anwendung finden. Temperaturmessung Die Temperatur im Inneren eines Heizöltanks soll überwacht werden. Die Messung erfolgt mit einem Pt100-Widerstand. Dieser kann gemäß EN 60079-11 als einfaches elektrisches Betriebsmittel betrachtet werde, da er passiv ist. Einfache elektrische Betriebsmittel müssen die Anforderungen der EN 60079-11 erfüllen und dürfen die Eigensicherheit des Stromkreises, in dem sie eingesetzt werden, nicht beinträchtigen. Der Prüfungsaufwand reduziert sich, wenn zertifizierte, eigensichere Sensoren verwendet werden. Um das Messsignal in ein Standardsignal für die Steuerung umzusetzen, gibt es zwei Möglichkeiten. Fall I Das Messsignal des Pt100-Widerstandes wird über eine Signalleitung zu dem Temperaturmessumformer MACX MCREX-SL-RTD-I geführt. Im Messumformer wird das Temperatursignal in ein Standardsignal gewandelt und gleichzeitig erfolgt die Trennung zwischen eigensicheren und nichteigen­sicheren Stromkreis. Der Messumformer ist ein zugehöriges Betriebsmittel der Zündschutzart Eigensicherheit Ex ia. Er wird in einem Schaltschrank im sicheren Bereich installiert. In diesem Fall erfordert die SchalBeispiel einer Schaltung tung keinen weiteren Aufwand bei der elektrischen Dimensionierung. Zu prüfen ist dennoch, ob die Summe aller Kabel-/Leitungskapazitäten und -induktivitäten im eigensicheren Stromkreis die von dem Messumformer vorgegebenen Daten nicht überschreiten. Sicherer Bereich stand und den Kopfmessumformer sind, wie im ersten Fall, keine besonderen Bedingungen einzuhalten. Zu vergleichen sind die sicherheitsrelevanten Daten des elektrischen Betriebsmittels, des eigensicheren Temperaturkopfmessumformers und des Speisetrenners als zugehöriges Betriebsmittel. Zusätzlich ist zu prüfen, ob die Summe aller Kapazitäten und Induktivitäten im eigensicheren Stromkreis die von dem Speisetrenner vorgegebenen Daten nicht überschreitet. Dazu gehören auch die technischen Daten von Kabeln und Leitungen des eigensicheren Strom­kreises. Spannung, Strom und Energie des Speisetrenners müssen kleiner sein, als die zugelassenen Eingangswerte des eigensicheren Temperaturkopfmessumformers. Beispiel einer Schaltung Sicherer Bereich ϑ ϑ SPS Einfaches elektrisches Betriebsmittel Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z.B. MACX MCR-EX-SL-RTD-I X II (1) G [Ex ia] IIC Beispiel für Fall I SPS Einfaches elektrisches Betriebsmittel Eigensicherer Temperaturkopfmess­ umformer, z.B. MCR-FL-HT-TS-I-Ex X II 2 G Ex ia IIB T6 Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z.B. MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I X II (1) G [Ex ia] IIC Beispiel für Fall II Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung Pt100Widerstand* Pt100Widerstand* Kabel/Leitung Zugehöriges Betriebsmittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-RTD-I – Uo 6V – Uo Ui = 30 V > Uo 25,2 V – Io 6,3 mA – Io Ii = 100 mA > Io 93 mA – Po 9,4 mW – Po Pi = 750 mW < Po 587 mW + Cc (ca. 140…200 nF/km) < Co IIB = 6,9 μF IIC= 1,4 μF + Cc < Co Ci ≈ 0 + Cc < Co IIC= 107 μF + Lc (ca. 0,8…1 mH/km) < Lo IIB = 100 mH IIC = 100 mH + Lc < Lo Li ≈ 0 + Lc < Lo IIC = 2 mH * passiv laut EN 60079-11 46 Phoenix CONTACT Fall II Im zweiten Fall findet die Umwandlung des Temperatursignals in ein Standardsignal in der Nähe der Messstelle, also im explosionsgefährdeten Bereich statt. Dazu wird der Temperaturkopfmessumformer MCR-FL-HT-TS-I-Ex verwendet. Das Standardsignal wird dann zu dem Speisetrenner MACX MCR-EX-SLRPSSI-I geleitet. Dieser wird im sicheren Bereich installiert. Im Speisetrenner erfolgt die Trennung zwischen eigensicherem und nichteigensicherem Stromkreis. Bezogen auf den Pt100-Wider- Kabel/ Leitung Zugehöriges Betriebs­mittel Beispiel MCR-FL-HT-TS-I-Ex Kabel/ Leitung Zugehöriges Betriebs­mittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I * passiv laut EN 60079-11 Nachweis der Eigensicherheit 2.6 2.6 Nachweis der Eigensicherheit Phoenix CONTACT 47 3 Technisches Basiswissen NEMA-Klassifikation NEMA-Klassifikation NEMA Neben der Kenntnis der grundlegenden Zusammenhänge zum Explosionsschutz gibt es noch eine Reihe weiterer Grundlagen der MSR Technik, die nicht spezifisch dem Explosionsschutz zugeordnet werden, für diesen aber dennoch genauso von Bedeutung sind. Neben den IP- Schutzklassen, der Funktionsweise von NAMUR- Sensoren und dem Übertragungsprinzip des HARTProtokolls trifft dies besonders auf das Thema der Funktionalen Sicherheit zu. Verwendung Bedingung (angelehnt an NEMA-Standard 250) 1 In Innenräumen Schutz gegen zufälligen Kontakt und einer begrenzter Menge Schmutz 2 In Innenräumen Eindringen von Tropfwasser und Schmutz 3 Im Freien 3R IP-Schutzart ➞ IP20 Schutz gegen Staub und Regen; keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse ➞ IP64 Im Freien Schutz gegen fallenden Regen; keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse ➞ IP22 3S Im Freien Schutz gegen Staub, Regen und Hagel; außenliegende Mechanismen bleiben bei Eisbildung betriebsbereit ➞ IP64 4 In Innenräumen oder im Freien Schutz gegen Spritzwasser, Staub und Regen; keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse ➞ IP66 4X In Innenräumen oder im Freien Schutz gegen Spritzwasser, Staub und Regen; keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse; korrosionsgeschützt ➞ IP66 6 In Innenräumen oder im Freien Schutz gegen Staub, Wasserstrahl und Wasser während vorübergehenden Untertauchens; keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse ➞ IP67 6P In Innenräumen oder im Freien Schutz gegen Wasser während längeren Untertauchens; korrosionsgeschützt 11 In Innenräumen Schutz gegen Tropfwasser; korrosionsgeschützt 12, 12K In Innenräumen Schutz gegen Staub, Schmutz und tropfende, nicht korrodierenden Flüssigkeiten ➞ IP55 13 In Innenräumen Schutz gegen Staub und Spritzwasser, Öl und nichtkorrodierende Flüssigkeiten ➞ IP65 Wichtige Hinweise: • Die Prüfbedingungen und Anforderungen von NEMA-Klassifikation und IP-Schutz (EN 60529) sind nicht exakt miteinander vergleichbar. • Es können nicht IP-Schutzarten in NEMA-Klassifikationen umgewandelt werden. 48 Phoenix CONTACT Technisches Basiswissen 3 3 Technisches Basiswissen Phoenix CONTACT 49 IP-Schutzart (entsprechend EN 60529) IP 5 Erste Kenn­ziffer 0 1 2 3 4 5 6 Schutzgrade gegen Zugang zu gefährlichen Teilen und feste Fremdkörper Kurzbeschreibung Definition Nicht geschützt Geschützt gegen den Zugang zu gefährliDie Zugangssonde, Kugel 50 mm Durchmesser, muss ausreichenchen Teilen mit dem Handrücken. den Abstand von gefährlichen Teilen haben. 4 Zweite Kenn­ziffer 0 1 Schutzgrad gegen Wasser Kurzbeschreibung Nicht geschützt Geschützt gegen Tropfwasser. Definition Senkrecht fallende Tropfen dürfen keine schädlichen Wirkungen haben. Geschützt gegen feste Fremdkörper mit 50 mm Durchmesser und größer. Die Objektsonde, Kugel 50 mm Durchmesser, darf nicht voll eindringen*. 2 Geschützt gegen Tropfwasser, wenn das Gehäuse bis zu 15° geneigt ist. Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Finger. Der gegliederte Prüffinger, 12 mm Durchmesser, 80 mm Länge, muss ausreichend Abstand von gefährlichen Teilen haben. 3 Geschützt gegen Sprühwasser. Geschützt gegen feste Fremdkörper mit 12,5 mm Durchmesser und größer. Die Objektsonde, Kugel 12,5 mm Durchmesser, darf nicht voll eindringen*. 4 Geschützt gegen Spritzwasser. Wasser, das aus jeder Richtung gegen das Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben. Geschützt gegen den Zu­­gang zu gefährlichen Teilen mit einem Werkzeug. Die Zugangssonde, 2,5 mm Durchmesser, darf nicht eindringen. 4K Geschützt gegen Spritzwasser mit erhöhtem Druck. Wasser, das aus jeder Richtung mit erhöhtem Druck gegen das Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt nach DIN 40 050 Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge). Geschützt gegen feste Fremdkörper mit 2,5 mm Durchmesser und größer. Die Objektsonde, 2,5 mm Durchmesser, darf überhaupt nicht eindringen*. Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Draht. Die Zugangssonde, 1,0 mm Durchmesser, darf nicht eindringen. 5 Geschützt gegen Strahlwasser. Wasser, das aus jeder Richtung als Strahl gegen das Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben. Geschützt gegen feste Fremdkörper mit 1,0 mm Durchmesser und größer. Die Objektsonde, 1,0 mm Durchmesser, darf überhaupt nicht eindringen*. 6 Geschützt gegen starkes Strahlwasser. Wasser, das aus jeder Richtung als starker Strahl gegen das Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben. Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Draht. Die Zugangssonde, 1,0 mm Durchmesser, darf nicht eindringen. 6K Geschützt gegen starkes Strahlwasser mit erhöhtem Druck. Wasser, das aus jeder Richtung als Strahl mit erhöhtem Druck gegen das Gehäuse gerichtet ist, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt nach DIN 40 050 Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge). Staubgeschützt Eindringen von Staub ist nicht vollständig verhindert, aber Staub darf nicht in einer solchen Menge eindringen, dass das zufriedenstellende Arbeiten des Gerätes oder die Sicherheit beeinträchtigt wird. Die Zugangssonde, 1,0 mm Durchmesser, darf nicht eindringen. 7 Geschützt gegen die Wirkungen beim zeitweiligen Untertauchen in Wasser. Wasser darf nicht in einer Menge eintreten, die schädliche Wirkungen verursacht, wenn das Gehäuse unter genormten Druckund Zeitbedingungen zeitweilig in Wasser untergetaucht ist. 8 Geschützt gegen die Wirkungen beim dauernden Untertauchen in Wasser. Wasser darf nicht in einer Menge eintreten, die schädliche Wirkungen verursacht, wenn das Gehäuse dauernd unter Wasser getaucht ist unter Bedingungen, die zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden müssen. Die Bedingungen müssen jedoch schwieriger sein als für die Kennziffer 7. 9K Geschützt gegen Wasser bei Hochdruck-/ Dampfstrahl-Reinigung. Wasser, das aus jeder Richtung unter stark erhöhtem Druck gegen das Gehäuse gerichtet ist, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt nach DIN 40 050 Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge). Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Draht. Staubdicht Kein Eindringen von Staub. * Der volle Durchmesser der Objektsonde darf nicht durch eine Öffnung des Gehäuses hindurchdringen. Anmerkung Wo eine Kennziffer nicht angegeben werden muss, ist sie durch den Buchstaben „X“ zu ersetzen. Geräte, die mit der zweiten Ziffer 7 oder 8 bezeichnet sind, brauchen die Anforderungen der zweiten Ziffern 5 oder 6 nicht zu erfüllen, es sei denn, sie sind mit einer Doppelbezeichnung (z.B. IPX6/IPX7) versehen. 50 Phoenix CONTACT Technisches Basiswissen 3 3 Technisches Basiswissen Senkrecht fallende Tropfen dürfen keine schädlichen Wirkungen haben, wenn das Gehäuse um einen Winkel bis zu 15º beiderseits der Senkrechten geneigt ist. Wasser, das in einem Winkel bis zu 60º beiderseits der Senkrechten gesprüht wird, darf keine schädlichen Wirkungen haben. Phoenix CONTACT 51 Passive Trennung Passive Trennung, eingangsseitig gespeist Speisung über Signal Eingangssignal Aktive Trennung 3-Wege-Trennung Eingangssignal IN Eingangstrennung OUT Ausgangssignal Eingangssignal IN Speisetrennung OUT Ausgangssignal POWER POWER Bei Modulen mit dieser Trennungstechnik sind alle Komponenten, die an Eingang, Ausgang oder Versorgung angeschlossen sind, gegeneinander vor Störungen geschützt. Entsprechend sind alle 3-Wege (Eingang, Ausgang und Versorgung) galvanisch voneinander getrennt. Die 3-Wege-Trennung sorgt sowohl für eine galvanische Trennung zwischen Messaufnehmer und Steuerung als auch zwischen Steuerung und Stellglied. Eingangsseitig benötigen die Module aktive Signale. Ausgangsseitig stellen sie ein gefiltertes und verstärktes Signal zur Verfügung. Bei Modulen mit dieser Trennungstechnik soll die ausgangsseitig angeschlossene Elektronik (z.B. Steuerung) vor Störungen aus dem Feld geschützt werden. Daher ist nur der Eingang von den auf gleichem Potential liegenden Ausgang und Versorgung galvanisch getrennt. Die Module benötigen eingangsseitig aktive Signale (z.B. von Messaufnehmern). Ausgangsseitig stellen sie ein gefiltertes und verstärktes Signal zur Verfügung (z.B. der Steuerung). Problem: Störeinstrahlung Speisung des Mess­ umformers Eingangssignal IN OUT Ausgangssignal I RE RE Lösung: PErde 1 Erdstromschleife PErde 2 I Ausgangssignal Die Module beziehen die zur Signalübertragung und galvanischen Trennung benötigte Energie aus dem aktiven Eingangskreis. Ausgangsseitig steht ein aufbereitetes Stromsignal für die Steuerung oder für Stellglieder zur Verfügung. Diese passive Trennung ermöglicht die Signalaufbereitung (auftrennen von Erdschleifen) und -filterung ohne eine zusätzliche Versorgung. Eingangssignal Speisung über Signal IN OUT Ausgangssignal Die Module beziehen die zur Signalübertragung und galvanischen Trennung benötigte Energie aus dem aktiven Ausgangskreis, idealerweise von einer versorgenden SPS-Eingangskarte. Ausgangsseitig arbeiten die Looppowered- Module mit einem 4...20 mANormsignal. Eingangsseitig verarbeitet der Passivtrenner aktive Signale. Beim Einsatz dieser Trennungstechnik muss beachtet werden, dass die ausgangsseitig angeschlossene aktive Signalquelle (z.B. aktive SPS-Eingangskarte) sowohl den Passivtrenner versorgen, als auch ihre Bürde treiben kann. Speisung des Mess­ umformers Eingangssignal IN Speisung über Signal OUT Ausgangssignal Die Module beziehen die zur Signalübertragung und galvanischen Trennung benötigte Energie aus dem aktiven Ausgangskreis. Diese aus dem Ausgangskreis gezogene Energie stellt der passive Speisetrenner außerdem einem eingangsseitig angeschlossenen passiven Messaufnehmer zur Verfügung. Der Messaufnehmer liefert mit Hilfe der zur Verfügung gestellten Energie ein Signal, das der passive Speisetrenner galvanisch trennt und ausgangsseitig zur Verfügung stellt. Daher verlaufen Signal- und Energiefluss bei einer passiven Speisetrennung grundsätzlich gegensätzlich zueinander. NAMUR Sensor/Schaltverstärker Bei NAMUR-Sensoren handelt es sich um eine spezielle Art von 2-LeiterNäherungssensoren, deren Stromausgangskennlinie in der Norm EN 609475-6 festgeschrieben ist. Für den Betrieb müssen diese Sensoren von der auswertenden Elektronik mit einer Speisespannung von typischerweise 8,2 V DC versorgt werden. Abhängig davon, ob der Abstand eines zu detektierenden Gegenstandes über oder unter der Schaltschwelle liegt, sind für den Näherungssensor die Schaltzustände „leitend“ oder „sperrend“ definiert. Je nach Anwendung kann diese Zuordnung auch invertiert sein. Laut Norm ist für den Zustand „sperrend“ ein Sensorstroms von 0,4 bis Schaltpunkte I 3 mA 2 Schaltwegdifferenz I 3 Schaltstromdifferenz mA 2,1 2 2,1 1 1,2 1 1,2 ∆s ∆s 0 Abstand S Beispiel einer stetigen Kennlinie eines Näherungssensors 1,0 mA definiert, für den Zustand „leitend“ mindestens 2,2 mA bei mindestens 400 Ω Sensorinnenwiderstand. Diese Sensorströme sind von einem nachgeschalteten Schaltverstärker gemäß unten- Abstand S 0 Beispiel einer nichtstetigen Kennlinie eines Näherungssensors stehendem Spannungs-/Stromdiagramm auszuwerten. RE RE PErde 1 52 Phoenix CONTACT OUT POWER Speisetrenner nutzen die Signaleingangsseite nicht nur zur Messwerterfassung, sondern stellen den eingangsseitig anzuschließenden passiven Messaufnehmern auch die benötigte Versorgung zur Verfügung. Ausgangsseitig stellen sie ein gefiltertes und verstärktes Signal zur Verfügung (z.B. der Steuerung). Die Trennungstechnik dieser Module entspricht der Eingangstrennung. Problem: Spannungsdifferenz im Erpotential Lösung: IN Passiver Speisetrenner ∆I1 Prinzipien der Signalübertragung Passive Trennung, ausgangsseitig gespeist (Loop-powered) ∆I1 3.1 MSR-Technik keine Erdstromschleife PErde 2 MSR-Technik 3.1 3.1 MSR-Technik Phoenix CONTACT 53 Einteilung von Näherungsschaltern Smartfähige Geräte - HART Protokoll 1. Stelle/ 1 Zeichen 2. Stelle/ 1 Zeichen 3. Stelle/ 3 Zeichen 4. Stelle/ 1 Zeichen 5. Stelle/ 1 Zeichen 6. Stelle/ 1 Zeichen 8. Stelle/ 1 Zeichen Erfassungsart Mechanische Einbaubedingungen Bauform und Größe Schaltelement­ funktion Ausgangsart Anschlussart NAMUR-Funktion I = induktiv 1 = bündig ein­ baubar FORM (1 Großbuchstabe) A= Schließer D= 2 Anschlüsse DC 1 = integrierte Anschlussleitung N= NAMUR Funktion S = andere 2 =Steckanschluss C= kapazitiv U= Ultraschall D= photoelektrisch diffus reflektiertes Lichtbündel 2 = nicht bündig einbaubar A= zylindrische Gewindehülse 3 = nicht fest­ gelegt B= glatte zylindrische Hülse R = photoelektrisch reflektiertes Lichtbündel C= rechteckig mit quadratischem Querschnitt T= photoelektrisch direktes Lichtbündel D= rechteckig mit rechteckigem Querschnitt B= Öffner P = programmierbar durch Anwender 3 = Schraubanschluss 9 = andere S = andere GRÖSSE (2 Ziffern) für Durchmesser oder Seitenlänge Diese Tabelle ist eine Erweiterung der Tabelle 1 von EN 60947-5-2. NAMUR-Sensor Sicherer Bereich SPS Netz­ spannung MACX MCR-EX-SL-NAM Namur-Sensor im Feld Schaltungsaufbau mit einem NAMUR-Sensor im Ex-Bereich. Namur-Schaltverstärker Bei den NAMUR-Schaltverstärkern können folgende Signale und Eigenschaften des NAMUR-Sensors ausgewertet werden: aAnsprechbereich für Änderung des Schaltzustandes ΔI1: 1,2 mA bis 2,1 mA bAnsprechbereich für Unterbrechung im Steuerstromkreis ΔI1: 0,05 mA bis 0,35 mA, cÜberwachungsbereich für Unterbrechung I ≤ 0,05 mA, dAnsprechbereich für Kurzschluss im Steuerkreis ΔR: 100 Ω bis 360 Ω, eÜberwachungsbereich für Kurzschluss R≤100 Ω. 54 Phoenix CONTACT U V 13 c 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 b Steuereingang des NAMUR-Schaltverstärkers a R= 360 Analoges Signal überlagert von digitalem HART-Signal Aufbau mit HART-Signalein­ speisung Sicherer Bereich Smart Trans­ mitter Ex ia 20 mA 2200 Hz "0" 1200 Hz "1" z 1200 H "1" 2200 Hz "0" 2200 Hz ϑ "0" Speisetrenner [Ex ia] 1.2-2.2 kHz i I i 4-20 mA 4 mA t Der Anschluss der Geräte ist sowohl im Punkt-zu-Punkt-Betrieb als auch im Multi-Drop-Betrieb (mit bis zu 15 Teilnehmern parallel) möglich. Beim Punkt-zuPunkt-Betrieb steht das 4...20 mA Signal wie gewohnt weiter als Prozesssignal zur Verfügung. Für den Multi-Drop-Betrieb wird ein eingeprägter Mindeststrom von 4 mA als Träger für die HART-Kommunikation benötigt. Dabei kommt es aber auf die technische Infrastruktur der Installation der Anlage an, mit welchem Hilfsmittel diese Funktionalität genutzt wird. Mit Hilfe eines Handheld-Gerätes lassen sich direkt im Feld an den Klemmen der InterfaceGeräte die Diagnose und Konfiguration der Feldgeräte durchführen. Werden die HART-Informationen mittels HARTMultiplexern oder über E/A-Module der Steuerungsebene an übergeordnete Engineering-Werkzeuge weitergeleitet, dann können diese z.B. auch von Asset Management Systemen genutzt werden. Asset Management Systeme bieten die Möglichkeit, Konfigurations- und Diagnosefunktionen auch automatisch durchzuführen und darüber hinaus den technischen Rahmen zur Archivierung der Feldgerätedaten (z.B. Einstellparameter). HART-Konfigurationsgerät Je nach physikalischem Aufbau kann auch die Steuerungsebene die HART- Kommunikation nutzen, um aus der Steuerung heraus Einfluss auf das Feldgerät (z.B. Sollwert, Messbereichsänderung) zu nehmen oder zusätzliche Information (z.B. Prozesssignale) abzufragen. Wie in der normalen Installation (ohne HART-Kommunikation) auch, stellen Interface-Geräte die Schnittstelle zwischen den Feldgeräten (Sensoren und Aktoren) und der E/A-Ebene der Steuerung dar. Um die auf dem analogen 4-20 mA Signal aufmodulierten Informationen sicher und ohne Störung übertragen zu können, müssen die dazu eingesetzten Interface-Geräte „Smart“fähig sein. Das heißt, im Betrieb dürfen keine Einwirkungen auf das HART-Signal, z.B. durch Filter, auftreten. Bei Interface-Geräten zur Signalanpassung mit galvanischer Trennung wird das HART-Signal im Interface-Gerät ausgekoppelt und separat übertragen. Darüber hinaus ist auch die angeschlossene Bürde im Stromkreis zu berücksichtigen, da das HART-Signal einen Abschlusswiderstand von 250 Ω erfordert. Ω R = 100 d In der Prozessindustrie muss für eine große Anzahl von analogen Feldgeräten bei der Inbetriebnahme und Wartung, aber auch während des laufenden Betriebes, eine Konfiguration durchgeführt bzw. Diagnose-Daten ermittelt werden. Um eine solche Kommunikation zum Feldgerät zu ermöglichen, werden dem analogen Signal digitale Informationen überlagert. Dazu müssen alle beteiligten Geräte „Smart“-fähig sein. In der Praxis hat sich für diese Art der Kommunikation das HART-Protokoll durchgesetzt. Da diese Technologie die zur Zeit am weitesten verbreitete ist, soll anhand dieser die „Smart“-Thematik erläutert werden. Bei dem HART-Protokoll wird die Übertragung der digitalen Information mit Hilfe der Frequenzumtastung (FSK – Frequency Shift Keying) auf das analoge 4-20 mA Signal aufmoduliert. Grundsätzlich wird zwischen zwei möglichen Betriebsarten unterschieden: Dem „Punkt-zu-Punkt“-Betrieb, mit der Kommunikation nur zu einem im 4-20 mA Stromkreis angeschlossenen Feldgerät und dem „Multi-Drop“Betrieb, in dem bis zu 15 Feldgeräte in dem Stromkreis parallel geschaltet werden können. Diese beiden Betriebsarten unterscheiden sich im wesentlichen dadurch, dass im „Punkt-zu-Punkt“Betrieb das analoge 4-20 mA Signal wie gewohnt weiter genutzt werden kann und das gewünschte Prozesssignal überträgt. Dabei können zusätzliche Daten in digitaler Form übertragen werden. Beim „Multi-Drop“-Betrieb wird im Feldgerät ein Stromsignal von 4 mA als TrägerMedium genutzt, um die ausschließlich digitalen Informationen von und zu den angeschlossenen Feldgeräten weiter zu leiten. Ω e 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 l/mA ∆I1 MSR-Technik 3.1 3.1 MSR-Technik Phoenix CONTACT 55 3.2 SIL Grundlagen (Funktionale Sicherheit) Normative Grundlagen Sicherheitsgerichtete Funktion für den Ex-Bereich Der Begriff SIL (Safety Integrity Level) prägt zunehmend die Prozesstechnik. Damit werden Anforderungen definiert, die an ein Gerät bzw. System gestellt werden, um die Ausfallwahrscheinlichkeit zu beschreiben. Ziel ist es, möglichst hohe Betriebssicherheit zu erreichen. Fällt das Gerät oder System aus, so wird ein definierter Zustand erreicht. Die Betrachtungen an Hand der Normen erfolgt auf statistischer Wahrscheinlichkeit. Anwendung von SIL auf Basis von IEC 61508 und IEC 61511 Für einen weiten Bereich von Industrien innerhalb der Prozessindustrie, einschließlich Chemieindustrie, Raffinerien, Öl- und Gasförderung, Papierherstellung, SIL Betrachtung Bei der Betrachtung von SIL ist die Gesamtheit des Signalwegs zu beachten. In dem Beispiel wird dargestellt, wie sich in einer typischen sicherheitstechnischen Applikation die Berechnung an Hand von mittleren Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen Geräte ergibt. In der Norm IEC 61508-1, Tabelle 2 ist der Zusammenhang zwischen der mittleren Ausfallwahrscheinlichkeit und dem erreichbaren SIL-Level beschrieben. An Hand des geforderten Levels kann dabei das Gesamtbudget für die Summe aller PFD-Werte abgelesen werden. 56 Phoenix CONTACT konventioneller Stromerzeugung, wird die SIL-Norm angewendet. Neben der Funktionalen Sicherheit sind bei Anlagen im explosionsgefährdeten Bereich auch die Ex-Normen EN 60079-0 ff anzuwenden. IEC 61508: Norm "Funktionale Sicherheit für sicherheitsbezogene elektrische, elektronische oder programmierbare elektronische Systeme" Diese Norm beschreibt die Anforderungen, die der Hersteller für seine Geräte bzw. Systeme zu berücksichtigen hat. Betrieb von Anlagen mit Funktionaler Sicherheit. Die Einhaltung der Norm wird durch den Betreiber, Eigentümer und Planer auf Grund von Sicherheitsplanungen und nationalen Vorschriften festgelegt. Daneben wird auch die Anforderung an ein Gerät beschrieben, um es durch die Betriebsbewährtheit (proven-in-use) in einer Applikation einsetzen zu können. Beispiel: Sensor und Aktor sind im Feld montiert und werden chemisch und physikalisch belastet (Prozessmedium, Druck, Temperatur, Vibration usw.). Entsprechend hoch ist das Fehlerrisiko dieser Komponenten. Deshalb sind für den Sensor 25 % und für den Aktor 40 % des Gesamt-PFD vorgesehen. Für die fehlersichere Steuerung bleiben 15 % und für die Interfacebausteine je 10 %. Beide haben keinen Kontakt zum Prozessmedium und sind in der Regel in einem geschützten Schaltschrank untergebracht. Die Werte werden typischerweise der Berechnung zu Grunde gelegt. 4 3 2 1 Betriebsart mit niedriger Anforderungsrate (mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der entworfenen Funktion bei Anforderung) ≥ ≥ ≥ ≥ 10-5 10-4 10-3 10-2 bis bis bis bis < < < < 10-4 10-3 10-2 10-1 PFD1 Safety Integrity Level (Sicherheits-Integritätslevel) Eine von vier diskreten Stufen zur Spezifizierung der Anforderungen für die Sicherheitsintegrität der sicherheitstechnischen Funktionen, die dem E/E/PEsicherheitstechnischen System zugeordnet werden, wobei der Sicherheits-Integritätslevel 4 die höchste Stufe und der Sicherheits-Integritätslevel 1 die niedrigste Stufe der Sicherheitsintegrität darstellt. + 35% Sensorik und Signalweg PFD3 + Aktor + PFD4 PFD5 10% Signalweg 15% SSPS PFDavgAverage Probability of Failure on Demand Mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der Funktion im Anforderungsfall. 50% Aktor und Signalweg EUC E/E/PESElektrische/elektronische/ programmierbare elektronische Systeme Ein Begriff, der verwendet wird, um alle elektrischen Geräte oder Systeme zu erfassen, die zur Durchführung einer sicherheitstechnischen Funktion verwendet werden können. Er beinhaltet somit einfache elektrische Geräte und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) jeder Art. Equipment under control Einrichtung, Maschine, Apparat oder Anlage, verwendet zur Fertigung, Stoffumformung, zum Transport. Probability of Failure on Demand Die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls bei Anforderung. Beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein sicherheitstechnisches System seine Funktion im Bedarfsfall nicht ausführt. 3.2 SIL Grundlagen (Funktionale Sicherheit) Safety Instrumented Function Beschreibt die sicherheitstechnische Funktion. SIS Safety Instrumented System Ein SIS (sicherheitstechnisches System) besteht aus einer oder mehreren sicherheitstechnischen Funktionen. Für jede dieser sicherheitstechnischen Funktionen gilt eine SIL-Anforderung. PFH PFD Rate der sicheren Fehler plus der Rate der diagnostizierten bzw. erkannten Fehler in Bezug zur gesamten Ausfallrate des Systems. SIF MTBF Mean Time Between Failures Es ist die erwartete mittlere Zeit zwischen Fehlern. SIL Grundlagen (Funktionale Sicherheit) 3.2 PFD2 10% Signalweg Sicherheits-Integritätslevel: Ausfallgrenzwerte für eine Sicherheitsfunktion, die in der Betriebsart mit niedriger Anforderungsrate betrieben wird. + Steuerung Aktor Übersicht von Begriffen aus den Normen EN 61508 und EN 61511 SIL Als Beispiel wird hier eine Anlage mit einkanaliger Struktur mit niedriger Anforderungsrate angenommen, dann liegt bei SIL 2 der mittlere PFD-Wert zwischen 10-3 bis < 10-2. Sensor DigitalEingang AnalogEingang Mögliche Verteilung der PFD-Werte in einem Sicherheitsregelkreis IEC 61511: Norm "Funktionale Sicherheit - Sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie" Die Norm IEC 61511 beschreibt die Anforderungen zur Errichtung und SicherheitsIntegritätslevel SIL DigitalEingang AnalogEingang Sensor Probability of dangerous Failure per Hour Beschreibt die Wahrscheinlichkeit eines Gefahr bringenden Ausfalls pro Stunde. SFF Safe Failure Fraction Beschreibt den Anteil ungefährlicher Ausfälle. Sie ergibt sich aus dem Verhältnis der Phoenix CONTACT 57 3.3 Begriffe und Abkürzungen Anmerkung zu Ui, Ii und Pi: In der EG-Baumusterprüfbescheinigung sind oftmals nur ein oder zwei Angaben für Ui, Ii oder Pi zu finden. Hierdurch sind dann bei den nicht aufgeführten Begriffen keine Einschränkungen vorhanden, da in diesem Betriebsmittel eine weitere innere Begrenzung bereits vorgenommen wurde. Uo = Maximale Ausgangsspannung Begriffe aus dem Explosionsschutz Explosionsgefährdeter Bereich (kurz: Ex-Bereich) Ein Bereich, in dem eine explosionsgefährdete Atmosphäre in solchen Mengen vorhanden ist oder erwartet werden kann, dass spezielle Vorkehrungen bei der Konstruktion, der Errichtung und dem Einsatz von elektrischen Betriebsmitteln erforderlich sind. Ex-Bauteil Ein Teil eines elektrischen Betriebsmittels für explosionsgefährdete Bereiche oder ein Modul (ausgenommen ExKabel-/Leitungseinführung), gekennzeichnet mit dem Symbol „U“, das in solchen Bereichen nicht für sich allein verwendet werden darf und das einer zusätzlichen Bescheinigung beim Einbau in elektrische Betriebsmittel oder Systeme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen bedarf. „U“-Symbol „U“ ist das Symbol, welches als Ergänzung hinter der Bescheinigungsnummer verwendet wird, um ein Ex- Bauteil zu kennzeichnen. „X“-Symbol „X“ ist das Symbol, welches als Ergänzung hinter der Bescheinigung benutzt wird, um besondere Bedingungen für die sichere Anwendung zu kennzeichnen. Anmerkung: Die Symbole „X“ und „U“ werden nicht gleichzeitig verwendet. Eigensicherer Stromkreis Ein Stromkreis, in dem weder ein Funke noch ein thermischer Effekt eine Zündung einer bestimmten explosionsfähigen Atmosphäre verursachen kann. 58 Phoenix CONTACT Elektrisches Betriebsmittel Die Gesamtheit von Bauteilen, elektrischen Stromkreisen oder Teilen von elektrischen Stromkreisen, die sich üblicherweise in einem einzigen Gehäuse befinden. Eigensicheres elektrisches Betriebsmittel Ein Betriebsmittel, in dem alle Stromkreise eigensicher sind. Zugehöriges Betriebsmittel Ein elektrisches Betriebsmittel, das sowohl eigensichere als auch nichteigensichere Stromkreise enthält, und so aufgebaut ist, dass die nicht-eigensicheren Stromkreise die eigensicheren nicht beeinträchtigen können. Anmerkung: Dieses ist auch an den eckigen Klammern und den runden Klammern der Kennzeichnung zu erkennen. Zugehörige Betriebsmittel müssen außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs montiert werden, sofern sie nicht einer anderen geeigneten Zündschutzart entsprechen. Einfaches elektrisches Betriebsmittel Ein elektrisches Betriebsmittel oder eine Kombination von Bauteilen einfacher Bauart, mit genau festgelegten elektrischen Parametern, das (die) die Eigensicherheit des Stromkreises, in dem es (sie) eingesetzt werden soll, nicht beeinträchtigt. Abkürzungen: Anmerkung: Der Index i bedeutet „in“, der Index o steht für „out“. Ui = Maximale Eingangsspannung Die höchste Spannung (Spitzenwert der Wechselspannung oder Gleichspannung), die an die Anschlussteile eigensicherer Stromkreise angelegt werden kann, ohne die Eigensicherheit zu beeinträchtigen. Das heißt, an diesem eigensicheren Stromkreis darf keine höhere Spannung als der Wert des zugehörigen Ui angeschlossen werden. Es muss auch eine mögliche Spannungsaddition betrachtet werden. Siehe auch EN 60079-14 Anhang B. Ii = Maximaler Eingangsstrom Der höchste Strom (Spitzenwert des Wechselstroms oder Gleichstroms), der über die Anschlussteile der eigensicheren Stromkreise eingespeist werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben. Das heißt, in diesen eigensicheren Stromkreis darf kein höherer Strom als der Wert des zugehörigen Ii eingespeist werden. Es muss auch hier eine mögliche Stromaddition betrachtet werden. Siehe auch hier EN 60079-14 Anhang B. Pi = Maximale Eingangsleistung Die höchste Eingangsleistung in einem eigensicheren Stromkreis, die innerhalb eines elektrischen Betriebsmittels umgesetzt werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben. Das heißt, es darf hier kein eigensicherer Stromkreis mit höherer Leistung als Pi angeschlossen werden. Begriffe und Abkürzungen 3.3 Die höchste Ausgangsspannung (Spitzenwert der Wechselspannung oder Gleichspannung) in einem eigensicheren Stromkreis, die unter Leerlaufbedingungen an den Anschlussteilen des elektrischen Betriebsmittels bei jeder angelegten Spannung bis zur maximalen Spannung einschließlich Um und Ui auftreten kann. Das heißt, Uo ist die höchste Leerlaufspannung, die im Fehlerfall bei der maximalen Versorgungsspannung an den Klemmen anliegen kann. Io = Maximaler Ausgangsstrom Der höchste Strom (Spitzenwert des Wechselstroms oder Gleichstroms) in einem eigensicheren Stromkreis, der den Anschlussklemmen des elektrischen Betriebsmittels entnommen werden kann. Das heißt, Io entspricht dem an den Anschlussklemmen maximal möglichen Kurzschlussstrom Ik. Po = Maximale Ausgangsleistung Die höchste elektrische Leistung in einem eigensicheren Stromkreis, die dem Betriebsmittel entnommen werden kann. Das heißt, bei einem Sensor oder Aktor, der an diesen eigensicheren Stromkreis angeschlossen wird, muss mit dieser Leistung z.B. bei der Erwärmung oder bei der Belastung in Bezug auf die zugehörige Temperaturklasse gerechnet werden. Ci = Maximale innere Kapazität An den Anschlussteilen wirksame Ersatzkapazität für die internen Kapazitäten des Betriebsmittels. Li =Maximale innere Induktivität An den Anschlussteilen wirksame Ersatzinduktivität für die internen Induktivitäten des Betriebsmittels. 3.3 Begriffe und Abkürzungen Co = Maximale äußere Kapazität Der höchste Wert der Kapazität in einem eigensicheren Stromkreis, der an die Anschlussteile des elektrischen Betriebsmittels angeschlossen werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben. Das heißt, dieses ist der Wert, den maximal alle außerhalb des Betriebsmittels wirkenden Kapazitäten erreichen dürfen. Die äußeren Kapazitäten setzen sich aus den Kabel- bzw. Leitungskapazitäten und den inneren Kapazitäten der angeschlossenen Betriebsmittel zusammen. Der Wert von Co ist bei einer linearen ohmschen Strombegrenzung abhängig von Uo. Siehe auch EN 6007911, Anhang A, Tabelle A2 und Bild A2 und A3. Lo = Maximale äußere Induktivität Der höchste Wert der Induktivität in einem eigensicheren Stromkreis, der an Anschlussteile des elektrischen Betriebsmittels angeschlossen werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben. Das heißt, dieses ist der Wert, den alle außerhalb des Betriebsmittels wirkenden Induktivitäten in Summe maximal erreichen dürfen. Die äußeren Induktivitäten setzen sich aus den Kabel- bzw. Leitungsinduktivitäten und den inneren Induktivitäten der angeschlossenen Betriebsmittel zusammen. Bei einer linearen ohmschen Strombegrenzung ist Lo abhängig von Io. Siehe auch EN 60079-11, Anhang A, Bild A4, A5, A6. Cc = Kabel- bzw. Leitungskapazität Eigenkapazität eines Kabels oder einer Leitung. Sie ist vom Kabel oder der Leitung abhängig. Sie liegt im allgemeinen zwischen 140 nF/km und 200 nF/km. zugehörigen Betriebsmittel angeschlossen werden kann, ohne die Eigensicherheit zu beeinträchtigen. Der Wert von Um kann an den Anschlüssen eines Gerätes unterschiedlich sein, sowie für Wechsel- und Gleichspannung. Das heißt, es kann z.B. bei der Versorgungsspannung ein Um = 250 V angegeben sein und beim Ausgang eine Um = 60 V. Gemäß EN 60070-14, Absatz 12.2.1 2. ist ebenfalls darauf zu achten, dass die Betriebsmittel, die an nichteigensichere Anschlussklemmen eines zugehörigen Betriebsmittel angeschlossen sind, nicht mit einer Speisespannung versorgt werden, die größer ist als die auf dem Typschild des zugehörigen Betriebsmittels angegebene Um. Dieses bedeutet für das obige Beispiel: An die Versorgungsspannung des zugehörigen Betriebsmittels darf ein weiteres Betriebsmittel mit einer Speisespannung von bis zu 250 V angeschlossen sein. An den Ausgang des zugehörigen Betriebsmittels darf nur ein Betriebsmittel mit einer Speisespannung von bis zu 60 V angeschlossen werden. In = Sicherungsbemessungsstrom Der Bemessungsstrom einer Sicherung nach EN 60127 oder nach Angabe des Herstellers. Dieses ist der Nennstrom, der bei einer Sicherung angegeben ist. Ta bzw. Tamb = Umgebungstemperatur Die Umgebungstemperatur Ta oder Tamb muss auf dem Typschild angegeben werden und in der Bescheinigung festgelegt sein, wenn sie außerhalb des Bereichs von -20°C und + 40°C liegt. Andernfalls wird die Bescheinigungsnummer um das Symbol „X“ ergänzt. Lc = Kabel- bzw. Leitungsinduk­ tivität Eigeninduktivität eines Kabels oder einer Leitung. Sie ist vom Kabel oder der Leitung abhängig und liegt im allgemeinen zwischen 0,8 mH/km und 1 mH/km. Um = Maximaler Effektivwert der Wechselspannung oder maximale Gleichspannung Die höchste Spannung, die an die nichteigensicheren Anschlussteile der Phoenix CONTACT 59 Weitere Informationen zu den vorgestellten Produkten und der Lösungswelt von Phoenix Contact finden Sie unter www.phoenixcontact.net/catalog Industrielle Verbindungstechnik, Markierungssysteme und Montagematerial Clipline Anschlusstechnik für Feldgeräte und Feldverkabelung Pluscon Oder sprechen Sie uns direkt an! Geräteanschlusstechnik und Elektronikgehäuse Combicon PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH Flachsmarktstraße 8 32825 Blomberg Tel.:+49 (0) 52 35 31 20 00 Fax:+49 (0) 52 35 31 29 99 E-Mail: [email protected] www.phoenixcontact.de PHOENIX CONTACT s.à r.l. 10a, z.a.i. Bourmicht L-8070 Bertrange Tel.:+352 45 02 35-1 Fax:+352 45 02 38 E-Mail: [email protected] www.phoenixcontact.lu Interface Komponenten und Systeme Automation © Phoenix Contact 2010 Signalkonverter, Schaltgeräte, Stromversorgungen Printed in Germany PHOENIX CONTACT AG Zürcherstrasse 22 CH-8317 Tagelswangen Tel.:+41 (0) 52 354 55 55 Fax:+41 (0) 52 354 56 99 E-Mail: [email protected] www.phoenixcontact.ch Trabtech MNR 5107652/14.01.2011-03 PHOENIX CONTACT GmbH Ada-Christen-Gasse 4 A-1108 Wien Tel.:+43 (0) 1 680 76 Fax:+43 (0) 1 688 76 20 E-Mail: [email protected] www.phoenixcontact.at Netz- und Signal-Qualität
