Kabellos Schalten im Ex-bereich

Drahtlose Kommunikation auch in explosionsgefährdeten Bereichen möglich

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26.07.2010 Was tun, wenn zusätzliche Schalter im Ex-Bereich installiert werden müssen? Die Lösung: Kabellose Positionsschalter. Die Bedingung: Sie müssen ex-geschützt sein. Der Clou: Die benötigte Energie besorgen die Schalter selbst, eine Energiezuführung oder Batterie ist somit überflüssig. Und ganz nebenbei trägt die Wireless-Technologie zur Senkung von Wartungskosten bei. Bereits realisierte Anwendungsbeispiele verdeutlichen den Nutzen der Technologie.

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Wie stellt man beim Abfüllen von Kraftstoffen sicher, dass die Benzinförderpumpe erst dann zugeschaltet werden kann, wenn sich der Füllstutzen des Verladearms genau über der Tanköffnung des Tankwagens befindet? Der Raffinerie-Betreiber, der dieses konkrete Problem lösen musste, hatte im hier beschriebenen Fall zuerst einen leitungsgebundenen Ex-Positionsschalter eingesetzt, der über den Betätigungshebel des zusätzlichen Handventils geschaltet wurde. Aufgrund einer mechanischen Begrenzung (Stahlseil) lässt sich dieser Handhebel erst dann betätigen, wenn der Füllstutzen oberhalb der Tanköffnung des LKW positioniert ist. Diese Lösung war jedoch nicht zufriedenstellend, da es an den insgesamt 15 Verladestationen immer wieder zu Ausfällen kam. Grund dafür war der schnelle Verschleiß der Kabelzuführungen: Die ständige Bewegung innerhalb der Gelenke des Füllarms und die Versprödung durch Benzin lassen die Anschlussleitung nach relativ kurzer Zeit brechen.

Signal und Energie kabellos

Die Raffinerie sah sich also nach einer anderen Lösung um und entschied sich für den Einsatz von kabellosen Ex-Positionsschaltern, die nach dem Prinzip des Energy Harvesting arbeiten. Das bedeutet: Die Schalter übertragen die Signale kabellos an die zugeordneten Empfangseinheiten – das ist konventionelle Wireless Technik. Darüber hinaus benötigen sie aber auch keine Energiezuführung und keine Batterie. Denn sie sind mit einem elektrodynamischen Energiegenerator ausgestattet. Er wandelt die kinetische Energie, die beim Betätigen des Schalters frei wird, in elektrische Energie um. Das schafft die Voraussetzung dafür, die entsprechenden Signale an die zugeordnete Empfangseinheit zu senden.

Dabei kommen robuste Positionsschalter mit Metallgehäuse und einem Rollendrehhebel als Betätiger zum Einsatz. Sie senden das Signal an einen ebenfalls ex-geschützten Schaltschrank, in dem die Empfangseinheit untergebracht ist. Die Schalter aus der Baureihe sind gemäß Atex-Richtlinie für den Betrieb in Zone 1 (Gas-Ex) freigegeben.

Eine 100 mm lange Antenne am Schaltschrank empfängt die Signale und leitet sie weiter. Die Codierung der Signale über eine individuelle 32 Bit-Identifikationsnummer erlaubt eine eindeutige Zuordnung zwischen Befehlsgerät und Empfangseinheit. Daher können
mehrere Geräte in einem Funkbereich arbeiten. Die Reichweite beträgt da-
bei rund 300 m im Außenbereich und 30 m in Gebäuden. Diese Lösung bewährt sich seit der Inbetriebnahme –
ohne Ausfälle.

Ventilüberwachung an einer Gaspumpstation

Ebenfalls um die Überwachung von Ventilstellungen ging es in einem weiteren Anwendungsbeispiel. An den manuell verstellbaren Ventilen einer Gaspumpstation sollte die Stellung einer Scheibe abgefragt werden, die sich auf dem Ventilkopf befindet und sich synchron zur Ventilstellung bewegt. Um dies zu gewährleisten, wurden zwei kabellose Positionsschalter am Ventilkopf angebracht, die über eine Nocke jeweils die „Geöffnet“- und die „Geschlossen“-Stellung des Ventils detektieren. Das Signal kann ausgewertet und z.B. an einer Leitwarte angezeigt werden.

Da die Ventile selbst ohne Stromversorgung auskommen, war an dieser Stelle der Pumpstation keine Stromversorgung vorhanden, und ihre Installation wäre deutlich teurer gewesen als die Positionsschalter selbst. Daher konnte der Anwender dank der Wireless Ex-Technik hier Kosten sparen. Zum Einsatz kommen Positionsschalter vom Typ EEx F 95 D, die für den Einsatz in den Ex-Zonen 1 und 21 zugelassen sind.

Auch diese Geräte bewähren sich seit ihrer Inbetriebnahme. Sie sind in der Anschaffung zwar teurer als konventionelle kabelgebundene Ex-Schaltgeräte, aber unter Berücksichtigung der Installationskosten ist die Funk-Lösung die deutlich günstigere.

Dockingsystem für Tankwaggons

Noch eindeutiger wird der Vorteil der kabellosen Signalübertragung am Beispiel der Verladestation einer französischen Raffinerie. Die Bahn-Tankwaggons werden hier von einem Satellitenfahrzeug zur Ladestelle transportiert. Dieses Fahrzeug ist auf einem zweiten, innerhalb des Schienenbettes verlegten Schienensystem unterwegs. Es fährt unter den Waggon, dockt dort an und transportiert den Waggon über eine Distanz bis zu 70 Meter zur gewünschten Position im Verladebahnhof.

Ein Positionsschalter sorgt dafür, dass das Fahrzeug seine exakte Position unter dem Waggon erkennt. Der Schalter – der selbstverständlich den Anforderungen des Explosionsschutzes entsprechen muss – wird von einem Mitnehmer am Satellitenfahrzeug betätigt, sobald dieser die Vorderachse des Tankwaggons durchfahren hat. Das autonome Fahrzeug stoppt dann und koppelt sich an den Waggon an, indem es zwei Mitnehmerrollen ausfährt, die hinter die erste Doppelachse des Waggons greifen.

Dieses elegante Prinzip ließ sich verwirklichen, ohne dass man Schleifleitungen oder Kabelschleppeinrichtungen für die Positionsübermittlung des Fahrzeugs benötigt. Denn auch hier kommt die drahtlose Kommunikation zum Einsatz: Man verwendet einen Positionsschalter vom Typ EEx F 95 WH, der kabellos mit der Empfangseinheit in der Steuerzentrale kommuniziert und den genauen Aufenthaltsort des Fahrzeugs mitteilt.

Energy Harvesting spart Wartungskosten

Die Technologie des „Energy Harvest?ing“ bietet im Ex-Bereich nochmals mehr Vorteile als in der Industrieautomation und der Gebäudetechnik. Der Verzicht auf Batterien spart Kosten, denn die Wartung von Geräten in Ex-Bereichen kann nur von entsprechend qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Zudem erlaubt die kabellose Signalübertragung den Verzicht auf zusätzliche Ex-Schutz-Komponenten wie Kabelverbindungen und Steckverbinder. Und die Schaltgeräte können – ganz ohne Kabel – aus dem Ex-Bereich „herausfunken“. Der Anwender muss somit keine aufwendige ex-geschützte Gehäusetechnik für die Empfangseinheit einsetzen.

Die Schalter sind in die Zündschutzart „eigensicher“ eingruppiert und gemäß EN 60097-11 für das Schutzniveau ib ausgelegt. Damit können sie normengerecht und sicher in Gas-Ex-Zone?1 eingesetzt werden. Für die Verwendung in Staub-Ex-Zone 21 wurden sie gemäß EN 61241-11 für die Zündschutzart ib D21 konzipiert. Die EG-Baumusterprüfbescheinigung einer benannten Stelle wurde erteilt.

Neben Positionsschaltern mit unterschiedlichen Betätigern stehen auch andere Schalterbauarten in „Wireless Ex“-Technologie zur Verfügung, zum Beispiel Fußschalter und Seilzugschalter. Ganz neu im Programm ist die Bediengeräte-Baureihe Ex RF BF 80. Sie umfasst drei Gehäusebaugrößen, in denen bis zu drei verschiedene Befehlsgeräte montiert werden können. So entsteht eine kompakte Bedieneinheit, die sich ergonomisch und mit kurzer Montagezeit direkt am Bedienplatz anbringen lässt. Da die Einheiten ohne Kabelzuführung auskommen, können sie an beliebiger Stelle montiert und bei Bedarf auch schnell versetzt werden. Sie sind von Grund auf für den Einsatz unter ungünstigen Umgebungsbedingungen konstruiert und somit nicht nur funktionell, sondern auch langlebig.

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Heftausgabe: Juli 2010

Über den Autor

Rainer Lumme, Produktmanager Explosionsschutz Steute Schaltgeräte
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