Neben den klassischen Vorzügen der drahtlosen Übertragung – Kosten- und Zeitersparnis durch den Wegfall der Kabelverlegung, Eliminierung von wartungsintensiven Schleifringübertragern und Schleppketten sowie Erhöhung der Mobilität – bietet die Funktechnik noch weitere Vorteile. Bei prozesstechnischen Anlagen liefern Potenzialverschleifungen und explosionsgefährdete Bereiche zwei weitere Argumente für den Einsatz von Funktechnik. Eine aufwändige und kostenintensive Trennung zwischen dem Ex- und Non-Ex-Bereich mit Barrieren ist nicht mehr notwendig, da die Funklösung diese Trennung systembedingt beinhaltet. Auch Potenzialunterschiede, die in Anlagen häufig zu Störungen durch elektromagnetische Felder führen, stellen auf Grund der systembedingten galvanischen Trennung kein Problem mehr dar. Aus der Sicht des Anwender ist die Funktechnik vor diesem Hintergrund eine lohnende Investition in prozesstechnische Anlagen.
Die Herausforderung im Ex-Bereich
Beim Einsatz von Funktechnik im Ex-Bereich ist einiges zu beachten. Als erstes die Frage nach der potenziellen Zündfähigkeit von explosionsfähigen Gemischen durch ein Funksignal. Eine Untersuchung des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) im Jahr 1993 ergab, dass ein zündfähiges Gemisch ab einer Sendeleistung von 6W entzündet werden kann. Ein weiteres Risiko ist die Induktion von Spannungen in umliegende Anlagenteile durch das erzeugte Hochfrequenzfeld. Hierbei können Schaltungsteile oder auch andere metallische Objekte unbeabsichtigt als Antenne wirken.
Der Entwurf der Richtlinie IEC/EN 60079-0 Edition 5 nennt mit Stand vom März 2006 für kontinuierliche Hochfrequenzquellen einen Grenzwert von 2W für die Zündkategorie IIC und 4W für die Zündkategorie IIB. Dabei handelt es sich um die abgestrahlte Leistung – die EIRP (Effective Isotropic Radiated Power, äquivalente isotrope Abstrahlung). Diese Leistung bezieht sich auf die an der Antenne abgegebene Leistung in Bezug auf einen isotropen Rundstrahler. Ein isotrope Rundstrahler ist eine ideale Antenne, die die Leistung in alle Raumrichtungen gleichmäßig kugelförmig abstrahlt.
Folgendes Beispiel soll zeigen, wie der Grenzwert zu interpretieren ist: Ein Funksystem ist im lizenzfreien 2,4-GHz-Band durch die Funkrichtlinie R&TTE 1999/5/EG auf maximal 100mW EIRP Sendeleistung an der Antenne limitiert. 100mW EIRP entsprechen 20dBm (dBm: Leistungspegel mit der Bezugsgröße 1mW). Das Funksystem liegt also um den Faktor 20 unter dem Grenzwert der IEC/EN 60079. Die heutigen Mobiltelefone sind ein weiteres Beispiel. Sie arbeiten überwiegend mit einer Sendeleistung von weniger als 1W. Da sie keine Gewinnantennen verwenden, entspricht dies in etwa auch der abgestrahlten Leistung. Anhand dieser Beispiele zeigt sich, dass der Einsatz von Funktechnik in explosionsgefährdeten Bereichen möglich ist.
Funksysteme sichern
Die einfachste Möglichkeit für den Einsatz eines Funksystems in der Zone 1 ist eine entsprechende druckfeste Kapselung nach der Schutzart Ex-d. Dabei wird das gesamte Funksystem in ein Gehäuse eingebaut, das eine überhöhte Oberflächentemperatur sowie das Austreten eines Zündfunkens verhindert. Der Nachteil einer solchen Lösung ist die integrierte Antenne, die die Reichweite des Systems reduziert. Alternativ können Ex-d-gekapselte Antennen verwendet werden, die direkt an das Ex-d-Gehäuse angebaut werden. Dadurch ist die hohe Dämpfung durch das Standard-Ex-d-Gehäuse beseitigt. Bleibende Nachteile sind der eingeschränkte Einsatzbereich der Ex-d-gekapselten Antennen, ihr hoher Preis sowie die schlechte Installationsposition der Antennen.
Ein besseres Konzept ist die Verwendung einer Barriere in der Hochfrequenz-Antennenleitung. Damit wird das Austreten eines Zündfunkens über die Antennenleitung auch im Fehlerfall verhindert. Der Vorteil: An die Barriere können passive Standardantennen und Antennenverlängerungskabel angeschlossen werden, die als sichere elektrische Betriebsmittel gelten. Dadurch lassen sich viel preisgünstigere Antennen nutzen und in der optimalen Position in der Anlage installieren. Durch die Verwendung im Ex-Bereich werden Reichweite und Kommunikationsgeschwindigkeit nicht eingeschränkt. Zu beachten ist noch, dass sich die Oberfläche der verwendeten Antenne in einem Partikelstrom statisch aufladen könnte. Hier gilt ein Grenzwert von 100cm² Strömungsfläche, der jedoch von vielen Antennen unterschritten wird.
Diese Möglichkeiten zeigen, dass es wirtschaftliche und funktionale Lösungen für den Einsatz von Funktechnik im explosionsgefährdeten Bereich der Zone 1 und 2 gibt. Damit lassen sich auch Sensoren aus der Zone 0 über entsprechende eigensichere Eingangskreise an Funksysteme in Zone 1 anschließen und drahtlos in den Bereich der Zone 2 oder in den Non-Ex-Bereich übertragen. Der Anwender kann hier von der Überwindung der Zonengrenzen und der Potenzialtrennung profitieren.
Bei Trusted Wireless-Systemen mit Frequenzsprungverfahren, können bis zu hundert Systeme parallel in räumlicher Nähe betrieben werden. Beim Frequenzsprungverfahren wechselt das System alle 27ms die Frequenz. Die ausgewählten Frequenzen und die Reihenfolge sind dabei bei jedem System einmalig. Zusätzlich unterstützen Funkprotokolle Sicherheitsmechanismen, aber bauen keine unnötigen Protokollstapel auf, die das Volumen der zu sendenden Informationen vergrößern. So reicht die Energie pro Bit aus, um Distanzen von einigen hundert Metern bis zu einigen Kilometern zu überbrücken.
