Anwendungsgerechter Explosionsschutz für Industrie-PCs

Seit über 75 Jahren befasst sich die Rudolf Wild GmbH & Co. KG in Eppelheim mit der Herstellung von natürlichen Inhaltsstoffen für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Dazu werden bei Wild – wie häufig in der Pharma-, Chemie- und Lebensmittelindustrie – auch Substanzen verarbeitet, die mit Sauerstoff reagieren und damit eine explosionsfähige Atmosphäre bilden können. Das Risiko einer Explosion entsteht, wenn drei Bedingungen zusammentreffen: 1. Sauerstoff in ausreichender Konzentration, meist aus der Umgebungsluft, 2. eine brennbare Substanz in Form von Gas, Nebel oder Staub in gefährlicher Konzentration und 3. eine Zündquelle (elektrischer Funke oder eine erhitzte Oberfläche). Eine dieser Bedingungen muss sicher ausgeschlossen werden. Da man auf den Sauerstoff in der Umgebungsluft in der Regel keinen Einfluss hat, müssen die beiden Bedingungen \’brennbar\‘ und \’Zündquelle\‘ weiter betrachtet werden. Zuerst wird versucht, das Austreten brennbarer Stoffe ganz zu verhindern (primärer Explosionsschutz). Ist dies nicht realisierbar, muss sichergestellt werden, dass keine wirksamen Zündquellen vorhanden sind (sekundärer Explosionsschutz). Entsprechend des verbleibenden Risikos werden die betreffenden Produktionsbereiche in die Ex-Zonen 0, 1 und 2 für Gase und 20, 21 und 22 für Stäube eingeteilt. Die verbindliche Vorschrift dazu ist die Atex-Betriebsrichtlinie 1999/92/EG, welche die betriebliche Sicherheit mit allen Arbeitsmitteln in Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen regelt. Die Atex-Produktrichtlinie 94/9/EG legt die Regeln für die Herstellung von Geräten und Schutzsystemen für explosionsgefährdete Bereiche fest. Nach dieser europaweit gültigen Norm müssen alle Geräte zugelassen sein, die in Ex-Zonen betrieben werden sollen. Alle elektrischen Geräte müssen so konstruiert sein, dass sie als Zündquelle ausscheiden. Überdruckkapselung (Ex p) Der Explosionsschutz für elektrische Betriebsmittel kann über verschiedene konstruktive Methoden erreicht werden. Eine universelle Möglichkeit ist die Überdruckkapselung (Ex p). Dazu wird im Gehäuse mit Luft oder einem Zündschutzgas ein Überdruck gegenüber der explosionsfähigen Umgebung erzeugt. Durch den ständigen Überdruck im mbar-Bereich kann aus der umgebenden Atmosphäre kein explosionsfähiges Gasgemisch ins gekapselte Gehäuse eindringen. Die Überdruckkapselung ermöglicht so den Betrieb von nicht explosionsgeschützten Geräten in explosionsgefährdeten Umgebungen. Vor jedem Start der eingebauten Geräte sorgt ein automatischer Vorspülvorgang dafür, dass das Ex-p-Gehäuse von einem eventuell vorhandenen zündfähigen Gas freigespült wird. Die Vorspülung und der Überdruck für den laufenden Betrieb werden von einer Ex-p-Steuereinheit geregelt und überwacht. Im Normalbetrieb wird nur so viel Luft benötigt, wie zum Ausgleich eventueller Leckverluste erforderlich ist. Bei gut abgedichteten Gehäusen liegt der Luftverbrauch bei wenigen Litern pro Stunde. Im Vergleich zu anderen Zündschutzarten wie Sand- (Ex q), Vergusskapselung (Ex m) oder druckfester Verkapselung (Ex d) gewinnt die Überdruckkapselung bei Realisierung von HMI-Lösungen zunehmend an Bedeutung. Ausschlaggebend ist die Möglichkeit, PC-basierte HMI-Geräte aus Standard-Industriekomponenten direkt in die Gehäusefront einzubauen. Damit sind auch im Ex-Bereich kundenspezifische IPC-Lösungen möglich, die flexibel erweiter- und hochrüstbar sind und einen langen Lebenszyklus aufweisen. Kommissionieren im Aromenbereich Beim Zusammenstellen der verschiedenen Grundstoffe an den Kommissionierplätzen, kann es mit den flüssigen und pulverförmigen Stoffen zum Austreten von Dämpfen oder Stäuben kommen – somit sind die Produktionsräume als Ex-Zone 1/21 klassifiziert. Die erste PC-Lösung zur Kommissionierung der Aromen stammt aus dem Jahr 2000 und besteht aus einem Standard-PC in einem kühlschrankgroßen Edelstahlgehäuse, das mit Druckluft beaufschlagt wird. Anfang 2007 entstand bei Wild der Wunsch, die in die Jahre gekommenen Systeme zu ersetzen. Zu diesem Zeitpunkt waren in anderen Wild-Anwendungen bereits tci-Terminals der T15-Serie erfolgreich im Einsatz. Die lüfterlosen Panel-PCs haben ein geschlossenes Edelstahl-Gehäuse, das nach Wild-spezifischen Anforderungen gefertigt wird (Bild 1). Es erfüllt die Schutzart IP65 und ist voll lebensmittelkonform. Mit Standardisierungsgedanken im Hinterkopf hat man sich bei Wild die Frage gestellt, ob das bestehende Gerät Ex-tauglich gemacht werden kann. Im gesamten Produktionsbereich, ob explosionsgefährdet oder nicht, könnten dann einheitliche Systeme bei überschaubarer Variantenvielfalt eingesetzt werden. Insbesondere würden sich unternehmensweite Bedien- und Beobachtungskonzepte durchgängig realisieren lassen. Weitere Vorteile wären vereinfachte und kostensparende Ersatzteilhaltung und eine schnelle Austauschbarkeit im Störungsfall. Spülgasadapter für den Ex-Bereich Durch diese Anforderungen wurde bei tci und den Ex-Spezialisten von Exepd die Idee für den Ex-p-Spülgasadapter geboren. Mechanisch passt der Adapter zum Lochbild des standardisierten Tragarmsystems, sodass der Adapter direkt auf die Panel-PCs der T15-ExReady-Serie montiert werden kann. Der Spülgasadapter wird mit einem passenden Ex-p-Steuergerät verbunden, welches die Spülgasmengen für den Vorspülvorgang und den laufenden Betrieb regelt und überwacht. Der erste Prototyp war im März 2008 fertig und seit Anfang 2009 ist das erste Gerät der Nullserie störungsfrei im Produktivbetrieb. Für das Steuergerät und den Spülgasadapter liegt eine Baumusterprüfbescheinigung nach Richtlinie 94/9/EG vor, sodass keine zusätzlichen TÜV-Abnahmen erforderlich sind. Nutzen für den Anwender Im explosionsgefährdeten Bereich können künftig dieselben Panel-PCs wie in den übrigen Produktionsbereichen eingesetzt werden. Möglich ist dies durch den Spülgasadapter, der in den Ex-Zonen einfach zwischen Tragarmsystem und Panel-PC montiert wird. Durch die Standardisierung ist nur noch ein Gerätetyp mit zwei Board-Varianten am Lager. Die Wartung und Ersatzteillagerhaltung wird dadurch übersichtlicher und kostengünstiger. Konkrete Einsparungen werden bei genauer Betrachtung der Kosten über den gesamten Lebenszyklus (TCO, Total Cost of Ownership) sichtbar. Zwei Drittel der Kosten entfallen auf das Edelstahlgehäuse als Spezialanfertigung. Dieses kann zehn Jahre und mehr genutzt werden. Im Störungsfall wird ein neuer Panel-PC eingebaut, auf dem zuvor die passende Software-Umgebung über ein Image installiert wurde. Den Austausch erledigt eine Elektrofachkraft in kurzer Zeit. Zur Wiederinbetriebnahme führt das Ex-p-Steuergerät über den Spülgasadapter automatisch die Vorspülung durch. Das bietet kurze Stillstandszeiten und damit eine hohe Verfügbarkeit der Anlage. Ist bei den Panel-PCs eine neue Technologie verfügbar, ist der Umstieg bei Bedarf ohne zusätzliche Umbauarbeiten möglich. Gehäuse und Spülgasadapter werden einfach beibehalten. Aufwand und Kosten werden auch dadurch reduziert, dass durch die vorliegende Baumusterprüfbescheinigung weder eine Einzelzulassung noch eine jährliche TÜV-Prüfung erforderlich sind. Durch die Standardisierung sinken auch die Anschaffungskosten, da durch die kleinere Gerätevielfalt höhere Stückzahlen je Variante beschafft werden können. SPS/IPC/Drives: Halle 7, Stand 350