Innovationen für den Explosionsschutz

Komponenten des Power-i-Basissystems

Möglichkeiten des Lastanschlusses für Power-i-Verbraucher

Zündgrenzkurve der effektiven Ausgangsleistung in Abhängigkeit von System-Reaktionszeit und Leitungslänge unter spezifizierten Randbedingungen

Tabelle: Erreichbare Wirkleistungen im Vergleich (für Gasgruppe IIC)

Durch Anwendung der Power-i-Technologie sind in der Zündschutzart Eigensicherheit Wirkleistungen bis zu 50 W ohne Reduzierung des Sicherheitsniveaus realisierbar, sodass sich der Einsatzbereich der Eigensicherheit „i" deutlich erweitern lässt. Power-i basiert auf der dynamischen Beherrschung sicherheitstechnisch kritischer Zustände im Gesamtsystem aus Quelle, Leitung und Verbraucher. Voraussetzungen dafür sind umfassende Fehleranalysen und die Anwendung neuer Prüfverfahren.

Beides wurde von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) im Rahmen industriefinanzierter Projekte untersucht. Dieser Beitrag beschreibt die Funktionsweise und das sicherheitstechnische Grundkonzept von Power-i und zeigt mögliche Applikationen auf. Eine Prüfung und Zertifizierung dieser Technologie auf internationaler Ebene ist zur Zeit nur bedingt möglich. Die PTB strebt deshalb gemeinsam mit international agierenden Herstellerfirmen einen internationalen Standard an, der weltweite Interoperabilität sowie Plug & Play ermöglicht.

Die Motivation

Der Zündschutzart Eigensicherheit „i" kommt besonders in der Prozessautomation wegen der zahlreichen Vorteile – wie z.B. weltweite Akzeptanz, Möglichkeit des Arbeitens ohne Heißarbeitserlaubnis und einfache Gehäuseanforderungen – große Bedeutung zu. Allerdings schränkt der äußerst geringe Wirkleistungsumsatz von nur etwa 2 W (für Gruppe IIC nach IEC 60079-11) die industrielle Anwendungsvielfalt der Eigensicherheit stark ein. Bei höherem Leistungsbedarf muss – trotz vielfach klarer Nachteile – auf andere Zündschutzarten ausgewichen werden. Die Möglichkeit einer deutlichen Wirkleistungserhöhung durch Anwendung der Power-i-Technologie eröffnet für industrielle Applikationen völlig neue Perspektiven.

Dazu gehören die:

· Möglichkeit der Verwendung leistungsstärkerer eigensicherer Betriebsmittel;

· Erhöhung der Geräteanzahl an einer Energieversorgung;

· Möglichkeit der Anwendung leistungsfähigerer Datenübertragungskonzepte (z.B. mit höheren Übertragungsraten und höherem Leistungsbedarf).

Mit dieser Technologie sind zurzeit verschiedene Wirkleistungen im Vergleich zu konventionellen Lösungen erreichbar (Tabelle).

Das Wirkprinzip

Das Wirkprinzip von Power-i beruht auf einer gezielten Einflussnahme auf jegliche Form der Funkenentstehung im System bestehend aus Quelle, Leitung und Verbraucher. Es handelt sich hier um eine Schnellabschaltung, die einen Störzustand im elektrischen System bereits im Moment des Entstehens erkennt und daraus eine sofortige Überführung in einen sicheren Zustand erwirkt – noch bevor ein kritischer Zustand überhaupt entstehen kann. Die signifikant höheren elektrischen Anschlusswerte sind allein durch die wirkungsvolle Begrenzung der Funkenenergie möglich. Hierbei spielt die Systemreaktionszeit eine entscheidende Rolle. Diese lässt sich aus der maximalen Abschaltzeit des Gesamtsystems, d.h. der Hardwarereaktionszeit und der doppelten Leitungslaufzeit, errechnen. So ergibt sich für ein Power-i-System gemäß Abbildung mit einer 1000 m langen Leitung die maximale Abschaltzeit von 14 µs.

Die konkrete Hardwarerealisierung basiert auf der Notwendigkeit der sicheren Erfassung und Auswertung zündfunkenspezifischer Verläufe von Strom und Spannung. Grundsätzlich darf bei Power-i die Information über eine sicherheitstechnisch relevante Störung unter keinen Umständen durch andere Systemkomponenten (Leitung und/oder Verbraucher) dahingehend negativ beeinflusst werden, dass eine Detektion mit nachfolgender Reaktion der Quelle be- bzw. verhindert wird. Eine konkrete Ausführungsform, der viele Jahre intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit vorausgingen und die aus Sicht der PTB alle sicherheitstechnischen Vorgaben erfüllt, ist die Dart-Technologie (Dynamic Arc Recognition and Termination) der Firma Pepperl +Fuchs.

Anforderungen an die Verbraucher

Während sich die Anforderungen an eine Power-i-Quelle aus dem zuvor beschriebenen Wirkprinzip ableiten lassen und sich der Einfluss der verwendeten Anschlussleitung durch die Bewertung von Leitungslänge und Signallaufzeit auf der Leitung ergibt, sind die Anforderungen an die Verbraucher wie folgt zu bewerten:

· Realisierung eines definierten Anfahrverhaltens,

· Gewährleistung eines definierten Stromsprunges bei Leitungsöffnung,

· keine Beeinflussung sicherheitsrelevanter Informationen auf der Leitung und

· einfache Systemintegration.

Dieses definierte Verhalten lässt sich für eine breite Palette von Verbrauchern durch eine relativ einfach auszuführende Eingangsbeschaltung zur Lastentkopplung realisieren. Bei den Ausführungsformen nahezu beliebiger Lasten kann die Lastentkopplung als separate Entkopplungseinheit, d.h. ein Entkopplungsmodul ist für mehrere Lasten vorgesehen, oder in den Verbraucher integriert, ausgeführt sein.

Erreichbare Ausgangswerte

Die unter bestimmten Randbedingungen in einem Power-i-System erreichbare effektive Wirkleistung ist von der System-Reaktionszeit und der Leitungslänge abhängig. Dabei kommen durch praktische Zündversuche ermittelte Energiewerte (Sicherheitsfaktor SF=1,5 im Gasgemisch, Gruppe IIC) als Basis für ein Näherungsverfahren zur Anwendung. Gut erkennbar ist die starke Ausgangsleistungsreduzierung bei Verwendung langer Leitungen. Deutlich werden auch die Vorteile, die sich bei höheren Ausgangspannungen ergeben. Als mögliche Power-i-Applikationen seien hier Ventilinseln und Magnetventile, Durchflussmesstechnik, Analysentechnik, Waagen, mobile Betriebsmittel, Beleuchtungen, optische Warngeber u.a. genannt.

Implementierung in die internationale Normung

Um die internationale Anwendung der Power-i-Technologie zu ermöglichen und um Interoperabilität zu gewährleisten, besteht die Notwendigkeit, ein Prüfverfahren zum sicherheitstechnischen Nachweis für derartige Stromkreise in die internationale Norm zu implementieren. Auf Basis der derzeitig gültigen Norm IEC 60079-11 2006 ist der Nachweis der Eigensicherheit leider nur sehr eingeschränkt oder gar nicht möglich. Von der Zukunftsfähigkeit dieses Konzeptes überzeugt haben sich 13 deutsche Unternehmen (Bartec, BC-Systremtechnik, Bürkert, Dräger Safety, ecom engineering, Endress+Hauser Flowtec, Gönnheimer, ifm electronic, Knick, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl Schaltgeräte und Vega) darauf verständigt, die Schaffung eines offenen Standards für die Interoperabilität von Versorgung und Verbrauchern auf internationaler Ebene voran zu treiben. Durch ihre finanzielle Unterstützung konnte Mitte 2009 unter Leitung der PTB das Projekt „Mehr eigensichere Wirkleistung durch dynamisch wirkende Stromkreise – Realisierung, Implementierung, Prüfung und Inverkehrbringen" mit der Kurzbezeichnung Power-i starten.

Im Rahmen dieses Projektes wird ein für Power-i-Stromkreise geeignetes Nachweisverfahren erarbeitet, das perspektivisch in die internationale Normung einfließen soll. Als erster Schritt ist dazu die Erstellung einer Technical Specification (TS) bei IEC vorgesehen. (Anmerkung: Eine Technical Specifica- tion kann nach den IEC-Verfahrensregeln publiziert werden, wenn die Technologie noch in der Entwicklung ist oder wenn aus anderen Gründen zukünftig die Möglichkeit besteht, eine Einigung zu erzielen, um eine internationale Norm zu veröffentlichen.)

Eine weitere Zielsetzung besteht in der Erarbeitung und Vorgabe aller für Power-i erforderlichen sicherheitsrelevanten Parameter, die zur Konzeption und Dimensionierung eines Power-i-Systems erforderlich sind. Dabei ist auf die Gewährleistung der Interoperabilität von Quellen und Verbrauchern sowie auf die Möglichkeit der Realisierung einer Plug & Play-Lösung zu achten.

Ansatz mit Zukunft

Für den zukunftsorientiert denkenden Anwender steht mit Power-i ein Lösungskonzept zur Verfügung, das den Einsatzbereich der Zündschutzart Eigensicherheit „i" deutlich erweitern wird. Mit Power-i lassen sich Wirkleistungen bis zu 50 W erzielen. Zur sicherheitstechnischen Bewertung sind hierbei allerdings alle Systemkomponenten heranzuziehen. Deshalb werden im Rahmen eines industriefinanzierten PTB-Projektes Vorbereitungen zur Implementierung aller dazu erforderlichen Angaben sowie eines geeigneten Nachweisverfahrens in die internationale Normung getroffen.

Dr.-Ing. Udo Gerlach, Dr.-Ing. Ulrich Johannsmeyer, Dipl.-Ing (FH) Thomas Uehlken, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig ( www.ptb.de )