Schaltgeräte, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen entwickelt wurden, bedienen de facto einen Nischenmarkt. Allerdings ist diese Nische größer, als es auf den ersten Blick scheint: Denn der Anwendungsbereich der Schaltgeräte geht weit über die chemische Industrie und die Energietechnik (Öl und Gas) hinaus. Explosionsfähige Atmosphären entstehen auch in der Lebensmittelproduktion sowie in metallverarbeitenden Betrieben, die Komponenten aus Aluminium oder Magnesium produzieren. Dasselbe gilt für Unternehmen, die Holz oder Kunststoff bearbeiten und dabei entsprechende Stäube freisetzen.
In all diesen Fällen wäre der Einsatz konventioneller Schaltgeräte mit ­Risiken behaftet: So könnten Funken nach außen dringen, die beim Schalten entstehen. Außerdem bestünde die ­Möglichkeit, dass die Umgebungsatmosphäre in das Schaltgerät hineingelangt und dort eine Explosion durch Schaltfunken auslöst.

Regeln für den Explosionsschutz

Für diese sicherheitsrelevanten Einsatzbereiche gibt es die ATEX-Richtlinien als ein umfassendes EU-weit geltendes Regelwerk; international setzt sich die IEC-Normung mit der IECEx-Zulassung zunehmend durch. Hersteller müssen die Richtlinie 94/9/EG (ATEX 95) beachten, die grundlegende Anforderungen an ­Maschinen und Betriebsmittel enthält, die bestimmungsgemäß in explosions­gefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen. Dabei wird unterschieden in verschiedene Zonen jeweils für den Gas- und Staub-Explosionsschutz. Hier schließt die ‚Herstellerrichtlinie‘ ATEX 95 an die ‚Betreiberrichtlinie‘ ATEX 137 (99/92/EG) an. Sie verpflichtet den Betreiber (oder den Hersteller) einer Maschine oder Anlage, die Explosionsrisiken in sich birgt, zu einer Beurteilung dieser Risiken. Die Ergebnisse dieser Gefährdungsbeurteilung sind in einem Explosionsschutzdokument festzuhalten, das auch die daraus resultierenden Maßnahmen beschreibt. Wie eine ­solche Beurteilung und vor allem die Einteilung der Zonen vorzunehmen ist, können Anwender in den Normen EN 60079-10-1 (Gas Ex) beziehungsweise EN 60079-10-2 (Staub Ex) ­sowie EN 60079-14 und EN 1127-1 nachlesen.

Ein Beispiel: Das Explosionsschutzdokument einer Abfüll- oder Verpackungsanlage für explosible staubförmige Lebensmittel (zum Beispiel einer Abfüllanlage für Mehl oder Puddingpulver) gibt an, dass im Inneren der Abfüllvorrichtung die Anforderungen der Staub-Ex-Zone 20 gelten. Das heißt: Hier treten durch die Kombination von Luftsauerstoff und organischem Staub ständig oder langzeitig explosible Atmosphären auf. Das direkte Umfeld des Abfüllorgans wird als Zone 21 definiert, in der gelegentlich solche Atmosphären auftreten. Dies gilt auch für Bereiche, in denen sich Staub ablagern kann. An den übrigen Bereichen der Maschine ist das Auf­treten von ­Explosionsrisiken unwahrscheinlich, aber nicht grundsätzlich auszuschließen. Hier sind die Rege­lungen der Staub-Ex-Zone 22 maßgeblich.

Diese Angaben helfen dem Konstrukteur der Maschine bei der Auswahl ­entsprechender Schaltgeräte. Zu beachten ist dabei auch die ‚Kennzeichnung elektrischer Betriebsmittel‘, die einem festgelegten Schema folgt und unter anderem die Gerätegruppe, die Gerätekategorie sowie das Schutzprinzip des Ex-Schalt­gerätes angibt. Bei Geräten für den Staub-Explosionsschutz gibt die Betriebsmittelkennzeichnung die maximal zulässige Oberflächentemperatur in °C an. Bei Gas-Ex gibt es die Temperaturklassen, die sich auch auf die maximal zulässigen Oberflächentemperaturen beziehen.

Der Anwender hat die Wahl

Viele Ex-Schaltgeräte kommen ­zusätzlich mit Anforderungen wie Korrosionsbeständigkeit und ­Vibrationsfestigkeit zurecht.

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Zahlreiche Bauarten von Schaltgeräten erfüllen diese Bedingungen und darüber hinaus zusätzliche Anforderungen, die in Kombination mit dem Explo­sionsschutz zu berücksichtigen sind. Hierzu gehören die Korrosionsfestigkeit (zum Beispiel in Chemie­anlagen), die Maschinensicherheit (Stellungsüberwachung von Schutztüren durch Sicherheitsschalter und Sicherheitszuhaltungen), die Seewasserbeständigkeit (etwa auf Bohrinseln und Gas-Transportschiffen) oder erweiterte Temperaturbereiche.

So unterschiedlich wie die Anforderungen und deren Umgebungsbedingungen sind die Bauarten der Ex-Schaltgeräte: Sie reichen von robusten Bauformen – zum Beispiel schwere Positionsschalter und Bandschieflaufschalter für große Schüttgut-Förderanlagen – über kompakte Ex-Sensoren für berührungslose Schaltprozesse zum Beispiel in der Pharma- und Lebensmittelindustrie bis zu Fußschaltern und ­anderen Bediensystemen für das Betätigen von Maschinenfunktionen in explosionsgefährdeten Bereichen.

Wireless Ex

'Wireless Ex': Bei den Funkschaltgeräten erzeugt ein miniaturisierter elektrodynamischer Energiegenerator die nötige Energie.

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Eine aktuelle Entwicklung sind Funkschaltgeräte für explosionsgefährdete Bereiche, die nach dem Prinzip des Energy Harvesting arbeiten und das lizenzfreie SRD-Band mit 868 MHz nutzen. Der Verzicht auf Leitungen ­be­ziehungsweise Batterien hilft, den Service-Aufwand zu verringern. Die Geräte können einfach aus den ex­plosionsgefährdeten Bereichen ‚he­rausfunken‘. Die hierfür erforderliche Energie erzeugt ein miniaturisierter elektrodynamischer Energiegenerator. Er wandelt die kinetische Energie, die beim Betätigen des Schaltstößels freigesetzt wird, in elektrische Energie um, die zum Senden des Signals be­nötigt wird.

Die Funktechnik birgt in diesem kritischen Anwendungsfeld keine Risiken. Die zertifizierenden Gremien haben eigens Prüfstandards geschaffen, um das ‚Wireless Ex‘-System von Steute zu prüfen. Demnach ist der Energiegehalt des Funksignals so gering, dass er unter keinen Umständen in der Lage ist, eine Explosion auszulösen. Die Übertragungssicherheit des Systems ergibt sich zudem aus dem geringen Duty Cycle – der zeitlichen Belegung der Luftschnittstelle – und der individuellen Zuordnung von Sende- und Empfangseinheit per Teach-in.

Internationalisierung der Normen

Für die (nahe) Zukunft zeichnen sich auf der Ebene der Normen und Richtlinien Veränderungen ab: Die EU-weit geltenden Normen ATEX 95 und ATEX 137 werden sukzessive in international geltende IECEx-Normen überführt. Für Hersteller von Ex-Schaltgeräten wird dies unter anderem den Vorteil haben, dass weltweit einheitliche Standards gelten und nicht für verschiedene internationale Märkte jeweils separate Zertifizierungen einzuholen sind.

Autor: Rainer Lumme ist Produktmanager Extreme bei Steute Schaltgeräte in Löhne.