Erschienen am: 22.05.2015, Ausgabe SPS-MAGAZIN ProzessAut 2015

Eigensicherheit 2.0?

Die Zündschutzart Eigensicherheit hat sich seit ihrer Entwicklung rasch etabliert. Heute ist sie Standard in den meisten Anlagen der Prozessautomatisierung und wird aufgrund ihrer Vorzüge, wie Arbeiten unter Spannung (hot-work) oder Zu-/Abschalten unter Spannung (hot-swap), häufig eingesetzt. Fast genauso alt wie die Eigensicherheit ist aber auch der Wunsch, mehr Energie zur Verfügung zu haben, als die Eigen- sicherheit mit maximal 2 bis 3W bieten kann. Dies ist für viele Anwendungen ausreichend, aber für manche Applikationen hätten Anwender und Hersteller gerne ein bisschen mehr zur Verfügung.

Autor: Dipl.-Ing. André Fritsch, R. Stahl Schaltgeräte GmbH.


Aus diesem Grund haben sich schon immer Hersteller damit beschäftigt, die Eigensicherheit auf ein höheres Niveau zu heben, und mehr Leistung für spezielle Applikationen zur Verfügung zu stellen. Seit Anfang des 21. Jahrhunderts arbeiteten mehrere Arbeitsgruppen unter Führung der PTB an solchen Konzepten. Eine 2003 daraus entstandene Realisierungsmöglichkeit wurde unter dem Namen c-i-s (continuous interruption supply), konzipiert und veröffentlicht. Das Konzept funktioniert prinzipiell so, dass durch ein zeitlich genau definiertes zyklisches Kurzschließen der elektrischen Ausgangsleistung die Zündschutzart Eigensicherheit gewährleistet wird. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass ein Zündfunke eine gewisse Zeit (einige µs) benötigt, um ausreichend Zündenergie aufbauen zu können. Durch die getaktete Versorgung sind quasi-eigensichere Leistungen von bis zu 20W bei Versorgungsspannungen bis 100V realisierbar. Leider ist genau dieses getaktete Versorgungskonzept auch der Grund, warum es c-i-s nicht bis zur Produktreife schaffte. Durch die getaktete DC-Spannung ergibt sich eine hohe Störabstrahlung, EMV-Probleme und dadurch eine Beeinträchtigung der Datenübertragung auf den Leitungen. Die Grundüberlegung von c-i-s diente als Basis für ein weiteres Konzept, das heute sowohl unter dem Markennamen DART (Dynamic Arc Recognition and Termination) als auch unter Power-i bekannt ist. Zunächst unter dem Titel "Dynamisch wirkende eigensichere Stromkreise" ins Leben gerufen, dann allerdings wegen doch deutlichen Unterschieden zur 'klassischen' Eigensicherheit in "Dynamisch wirkende elektrische Stromkreise" umbenannt, entwickelten die PTB und Pepperl+Fuchs in einem gemeinsamen Forschungsprojekt das ursprüngliche Konzept weiter. Anstatt wie bei c-i-s die Energie zyklisch abzuschalten, basiert das neue Konzept auf einer rechtzeitigen Erkennung eines entstehenden Zündfunkens und einer sehr schnellen Abschaltung der Energie einspeisenden Teilnehmer (Komponenten). Während Pepperl+Fuchs die daraus entwickelte Schaltungstechnik unter dem Markennamen DART (Dynamic Arc Recognition and Termination) patentieren ließ und dafür Lizenzen vergibt, wurde seitens der PTB eine neue Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, um die Technologie in die internationale Normung auf IEC-Ebene einzubringen. Das ist für die weltweite Akzeptanz ein unvermeid- licher und wichtiger Prozess. Der Arbeitstitel, der bis heute Bestand hat, lautet hierfür Power-i.

Grundlagen Power-i

Anders als bei der bekannten Eigensicherheit nach IEC 60079-11, bei der die Quelle eine kontinuierliche, begrenzte Energiefreisetzung zulässt, setzt Power-i auf ein dynamisches Konzept. Der Unterschied lässt sich sehr gut mit den physikalischen Zusammenhängen von Energie und Leistung veranschaulichen: zur Zündung eines explosionsfähigen Gemisches wird Energie benötigt, je nach Gas-Luft-Gemisch in unterschiedlicher Menge. Energie (W) entsteht durch die zugeführte Leistung (P) über der Zeit (t) oder als Formel: W=P*t. Während die klassische Eigensicherheit die Leistung P bzw. Spannung und Strom (P=U*I) durch entsprechende Schutzelemente, wie z.B. Z-Dioden und Widerstände, soweit begrenzt, dass auch bei kontinuierlich verfügbarer Leistung keine Zündung auftritt, reduziert Power-i den Faktor Zeit t und damit die durch einen Funken freisetzbare Energie. Soweit die physikalische Theorie. Wie funktioniert das in der Praxis? Aus der Arbeit an c-i-s ist bekannt, dass beim Öffnen eines Stromkreises ein abrupter Spannungsanstieg zusammen mit einem entsprechenden Absinken des Stromes auftritt. Die Spannung dieses Initialsprunges hängt von der Materialpaarung der Kontaktwerkstoffe ab und beträgt z.B. bei den im Funkenprüfgerät verwendeten Materialien Wolfram und Cadmium ca.10V. Diese Spannung trägt jedoch nicht zur Freisetzung von Energie durch den Funken bei, so dass die Energiefreisetzung erst einsetzt, wenn nachfolgend die Spannung über dem Funken mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von =1V/µs kontinuierlich bis zur maximal möglichen Leerlaufspannung ansteigt, während der Strom weiter abnimmt, bis der Funke schließlich verlöscht. Die sich daraus aufbauende Energie überschreitet daher erst nach einem als 'Initialphase' bezeichneten Zeitraum den kritischen Grenzwert, bei der das Gasgemisch zünden kann. Daraus ergeben sich auch schon die Grundvoraussetzungen für Power-i: zunächst muss die beginnende Funkenbildung zuverlässig detektiert werden, ohne dass eine Verwechslung mit z.B. Pegeländerung des Nutzsignals oder mit Störsignalen aus der Umgebung vorkommt. Noch während der Initialphase, also vor Erreichen der kritischen freigesetzten Energiemenge, muss dann die Energiequelle abgeschaltet bzw. auf normale Ex i Werte nach IEC60079-11 begrenzt werden, so lange der Fehlerzustand anhält. Dies passiert innerhalb eines Zeitraumes von 2 bis 10µs. Hierbei darf natürlich nicht vergessen werden, dass je nach Aufbau des elektrischen Stromkreises auch durchaus mehrere Energiequellen auftreten können. Unvermeidbar sind Energiespeicher in den Verbindungsleitungen. Hier muss grundsätzlich mit differentiellen Kapazitäten und Induktivitäten gerechnet werden. Falls auch der oder die Verbraucher Energiespeicher aufweisen, sind diese natürlich ebenfalls zu berücksichtigen. Daraus ergeben sich, analog zum bekannten Nachweis der Eigensicherheit, die zu betrachtenden Systemkomponenten in einem Power-i Stromkreis: die Power-i Quelle, alle Verbraucher und die Verbindungsleitungen. Aus dem oben beschriebenen Konzept wird deutlich, dass der Power-i Nachweis deutlich komplexer werden kann, als der übliche Eigensicherheitsnachweis, und vor allem die Leitungen einen deutlich umfangreicheren Anteil an der Berechnung haben - ein wichtiges Themengebiet bei der Normungsarbeit. Das mit Power-i erreichbare Schutzniveau entspricht dem Geräteschutzniveau b (EPL b - Equipment Protection Level) bzw. Kategorie 2, ist also für Geräte und Stromkreise in der Zone 1 oder 2 geeignet. Für die eher seltenen Anwendungen in Zone 0, also für EPL a oder Kategorie 1, kann nach wie vor die klassische Eigensicherheit mit 'ia' eingesetzt werden, eine Einschränkung, die sich auf die Verwendbarkeit in den USA nachteilig auswirkt. In einer Division 1-Zone nach NEC 500 (NEC National Electrical Code) sind derzeit nur ia-taugliche Schutzkonzepte verwendbar.

Wofür der ganze Aufwand?

Mit Power-i lassen sich grundsätzlich die bekannten Vorteile der Eigensicherheit (z.B. Auswechseln von Feldgeräten im Betrieb in explosionsfähiger Atmosphäre), mit deutlich höheren Versorgungsleistungen kombinieren. Je nach Umsetzung des Konzeptes sind somit z.B. bis zu 50W bei 40V DC Versorgung und 100m Leitungslänge bei Gas-Gruppe IIB (z.B. Äthylen) realisierbar. Da die Leitungslänge signifikant für die Auslegung des Power-i Stromkreises ist, reduziert sich die verfügbare Leistung auf ca.12W, wenn z.B. 1.000m Leitung erforderlich sind, immer noch deutlich mehr als bei der klassischen Eigensicherheit. Grundsätzlich könnten größere Entfernungen überbrückt werden, was aber in Zukunft genauer analysiert werden muss.

Aktuelle Normungslage

Keine Zündschutzart würde sich international durchsetzen können, wenn sie nicht in einer IEC- bzw. EN-Norm entsprechend behandelt wird. Aus diesem Grund wurde die Arbeitsgruppe Power-i unter Führung der PTB und Beteiligung verschiedener Herstellerfirmen gegründet, um das Konzept in eine internationale Norm zu überführen. Eine vollständige Betrachtung der komplexen Power-i Thematik und die durchgängige Standardisierung auf IEC-Ebene ist extrem zeitaufwändig. Aus diesem Grund wurde entschieden, sich zunächst auf Grundlage einer IEC Technical-Specification (IEC-TS) auf einige klar definierte Anwendungsfälle zu beschränken. Die daraus entstehende Norm IEC-TS 60079-39 "Explosive atmospheres-Part 39" soll dann in die entsprechenden IEC und EN Normen überführt werden. Nach aktuellem Stand ist mit dem Erscheinen der IEC-TS 60079-39 im Juli 2015 zu rechnen. Neben der Beschreibung des grundsätzlichen Explosionsschutzkonzeptes und der Festlegung der speziellen Geräteanforderungen werden in dem Dokument auch entsprechende Installationsrichtlinien und das oben bereits angedeutete Nachweisverfahren für die Zusammenschaltung von Power-i Geräten aufgeführt sein. Da Power-i Stromkreise den gleichen grundsätzlichen Anforderungen bezüglich der Begrenzung von Spannung und Strom und galvanischer Trennung wie konventionell eigensichere Stromkreise genügen, müssen Power-i Stromkreise auch bei der Installation wie konventionelle eigensichere Stromkreise behandelt werden. Damit sind die national gültigen Errichtungsbestimmungen, z.B. gemäß IEC 60079-14, insbesondere Kapitel 12, zu befolgen.

Der Power-i Nachweis für die Zusammenschaltung der angeschlossenen Feldgeräte über ein Kabel erfolgt über sogenannte Assessment Faktoren (AF) und die Response Time, die für Power-i Geräte gemäß den in der TS 60079-39 angegebenen Verfahren durch den Hersteller ermittelt und bescheinigt werden. Zur Vereinfachung der Beurteilung von Zusammenschaltungen von Power-i Geräten verschiedenster Hersteller bringt die TS 60079-39 eine Einteilung der Geräte in Spannungs- und Strom-Klassen ein, und gibt dafür in Abhängigkeit der Gasgruppe und des geforderten Schutzniveaus die entsprechend der System-Antwortzeit zulässigen Kombinationen an. Power-i Geräte müssen entsprechend als solche gekennzeichnet sein und die Angabe des Assessment Faktors und ggf. der Response Time (bei Power-i Quellen) aufweisen. Da die Leitungen einen erheblichen Einfluss auf den Power-i Stromkreis haben, müssen diese genauer betrachtet werden. Dies beginnt zunächst einfach nachvollziehbar mit dem für die höheren Stromstärken nötigen größeren Kupfer-Querschnitt, um Spannungsfälle zu minimieren und eine unzulässige Erwärmung des Kabels zu vermeiden (Temperaturklasse beachten). Weiter würde es die erreichbaren Leitungslängen drastisch einschränken, wenn bei der Betrachtung der Kabel, wie bei der klassischen Eigensicherheit durchaus üblich, mit 'worst-case' Kabelparametern gerechnet würde (gemäß IEC 60079-14, Kapitel 12.2.2.2: maximal anzunehmende Kabelparameter 200pF/m und 1µH/m), bei fehlenden technischen Daten der Kabel oder Installationen mit unterschiedlichen Kabelsegmenten und Rangierverteilern - ein in der Praxis häufig verwendetes Verfahren. In der TS wird eine Berechnung auf Basis von Kabelparametern und alternativ ein messtechnisches Verfahren zur Bestimmung der für die Power-i Systembetrachtung nötigen Parameter Response Time und Assessment Faktor angegeben. Da ein Ausmessen der Kabelparameter der Installation in der Praxis nahezu unmöglich ist, bleibt als praktikable Möglichkeit das Berechnungsverfahren, zu dem allerdings die Kabelparameter L', C' und R' bekannt sein müssen.

Ohne Vorliegen der TS 60079-39 besteht noch eine weitere Hürde im Nachweisverfahren zum Erlangen einer EG-Baumusterprüfbescheinigung bei den benannten Stellen. Weder die verfügbaren Zündgrenzkurven aus IEC 60079-11 Anhang A noch Software-Tools, wie das von der PTB entwickelte ISpark oder gar das klassische Funkenprüfgerät, eignen sich zum Nachweis eines Power-i Stromkreises. Dennoch ist schon heute eine an Power-i angelehnte Lösung mit EG-Baumusterprüfbescheinigung nach ATEX und einer IECEx Zulassung verfügbar, ein DART-Feldbus von Pepperl+Fuchs. Die Systembescheinigung nach DIN EN 60079-25 "Explosionsfähige Atmosphäre - Teil 25" dient als Basis und gestattet die sichere Verwendung in einem genau spezifizierten und abgeschlossenen Feldbussystem mit den in der Bescheinigung aufgelisteten Komponenten. Allerdings weichen die Spezifikationen und Klassifikationen in der entstehenden Power-i TS in einigen Punkten von der existierenden DART-Lösung ab, was sich bei DART z.B. durch fehlende Assessment Faktoren und Response Zeiten bemerkbar macht.

Anwendbarkeit in der Praxis

Auf den ersten Blick ist es natürlich willkommen, mehr Leistung für eigensichere Applikationen zur Verfügung zu haben. Hier fallen zunächst komplexere Feldgeräte mit erhöhtem Energiebedarf ins Auge, die bislang durch andere Zündschutzarten, wie z.B. 'druckfeste Kapselung Ex d', für die Zone 1 tauglich gemacht wurden, wie z.B. Magnetventile, Durchflussmesser, Analysegeräte aber auch Motoren, Signalgeber, Bedienterminals usw. kämen in Frage. Auch bei eigensicheren Feldbussen wie dem Profibus PA oder Foundation fieldbus H1 scheint eine höhere Versorgungsleistung Sinn zu machen, um mehr Teilnehmer je Segment betreiben zu können. Dabei darf aber nicht vergessen werden, dass eine höhere Versorgungsleistung bzw. der damit verbundene Strom, Auswirkungen auf Geräte und Verkabelung hat. Mehr Leistung im Feldgerät bringt eine höhere Verlustleistung und damit eine höhere Erwärmung mit sich. Um eine Zündung durch heiße Oberflächen zu verhindern, sind dann wieder andere Schutzmaßnahmen nötig, wie z.B. druckfeste Kapselung, was die Power-i Anwendung ad absurdum führen würde. Ebenfalls zu berücksichtigen ist, dass der höhere Strom zu höheren Spannungsfällen auf den Leitungen führt. So sind evtl. verlegte Leitungen mit 1 oder 1,5mm² nicht mehr ausreichend und müssen durch 2,5 oder sogar 4mm² ersetzt werden - ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor. Hersteller von Feldgeräten sehen derzeit wenige Anwendungen für Power-i Varianten ihrer Produkte. Feldgeräte, bei denen das sogenannte Hot-swap eine wichtige Rolle spielt, z.B. zum regelmäßigen Kalibrieren, sind meistens bereits in der Zündschutzart Eigensicherheit verfügbar und seit langem bewährt im Einsatz. Auch nicht-eigensichere Geräte lassen sich bei Bedarf mit speziellen Steckverbindern oder Freischalteinrichtungen in explosionsgefährdeten Bereichen problemlos vom Stromkreis trennen - was deutlich preiswerter realisierbar ist als eine Neuentwicklung auf Basis Power-i. Dadurch steht zu befürchten, dass die Auswahl der verfügbaren Power-i Feldgeräte zumindest in den nächsten Jahren limitiert sein wird. Einige Anwender weisen darauf hin, dass im Rahmen der aktuellen Energiesparmaßnahmen die Eigensicherheit als sozusagen 'ökologischste Zündschutzart' zunehmende Bedeutung erfährt und man sich mit Power-i hierzu eher kontraproduktiv entwickeln würde. Bei Feldbussen bringt Power-i leider weder zusätzliche Teilnehmer an den Bus noch liefert es mehr Energie. Die Feldbusphysik und vor allem die Performance der Host-Systeme und die geforderten Zykluszeiten setzen hier derzeit die Grenzen bei typischerweise zwölf (FF H1) oder 24 (PA) Geräten je Segment. Durch den verzweigten Aufbau von Feldbussegmenten und den in der Praxis geforderten Leitungslängen von bis zu 1.000m kann auch Power-i nicht deutlich mehr Energie liefern. Die am Markt verfügbare Lösung auf Basis der oben vorgestellten DART-Technologie stellt z.B. nur 22,5V bei 360mA bereit, während das seit Jahren eingesetzte High Power Trunk Konzept (eigensichere Feldbus Geräte werden über galvanisch trennende Ex i Koppler an die nicht-eigensichere Hauptleitung angeschlossen) typischerweise 28V und 500mA zur Verfügung stellt, ganz abgesehen davon, dass die Anwender derzeit auch keine Second Source auf dem Markt finden.

Vorteile für den Anwender?

Hierzu wurden schon diverse Kundenbefragungen und Workshops durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Power-i nicht als Ersatztechnologie für die konventionelle Eigensicherheit in Betracht kommt und auch die Anzahl der sinnvollen Applikationen eingeschränkt ist. Zwar wurden diverse potenzielle Anwendungen identifiziert, diese sind aber entweder eher selten - also vermutlich unattraktiv für Neuentwicklungen der Hersteller, oder noch Zukunftsmusik, wie z.B. ein neuer 2-Draht Feldbus auf Basis eines Power-i Ethernets. Erschwerend kommt hinzu, dass ein quasi eigensicheres 100Mbit- oder gar Gigabit-Ethernet mit einer deutlich höheren Bandbreite zwar wünschenswert für zukünftige Netzwerke in Prozessanlagen sein könnte, aber die hohe Datenrate - also sehr schnelle Spannungsschwankungen - dem Power-i Konzept eher entgegen läuft, wie eingangs dargestellt. Ob Power-i dafür geeignet ist oder doch besser auf bereits verfügbare Lösungen, wie z.B. inhärent sichere Lichtwellenleiter ("ex op is" nach IEC 60079-28 "Explosive atmospheres-Part 28") gesetzt wird, muss sich zeigen.

Fazit

Power-i ist eine interessante Ergänzung der klassischen Eigensicherheit, wird aber vermutlich nicht in absehbarer Zeit ihr Erbe antreten. Auch die derzeit geführten Diskussionen im Normungsgremium auf IEC-Ebene lassen keine schnelle Ausbreitung der Technologie vermuten, zumal sich die infrage kommenden Anwender noch sehr zurückhaltend zeigen. Momentan sieht es so aus, dass wir eine gute Lösung haben, für die wir aber noch eine vorteilhafte Anwendung finden müssen. Die Hersteller sind also weiterhin aufgefordert, die für die Anwendung und den Anwender optimalen und effektiven Zündschutzarten auszuwählen - mit Power-i existiert in Kürze eine weitere Option.