Von Thomas Menze

Zurzeit auf 10 W begrenzt, wurden Prototypen erfolgreich getestet, mit denen bis zu 200 W eigensichere Leistung in Stromkreise eingespeist werden können.

Die Fast-Switch-Technologie erkennt Spannungsänderungen, die bei einem Leitungsbruch, Kurzschluss oder beim Entfernen elektrischer Verbraucher an der Trennstelle eigensicherer Stromkreise entstehen. Diese Spannungsänderungen können eine Funkenbildung an der Trennstelle (Steckkontakt oder Kabelkurzschluss) verursachen. Fast-Switch unterbricht den Stromkreis jedoch innerhalb von 10 μs und begrenzt damit die Energie an der Trennstelle auf einen sicheren Wert. Dadurch ist es physikalisch ausgeschlossen, dass ein Funke genügend Energie zur Zündung eines Gasgemisches hat.

Die auf diesem Prinzip basierende Schutzschaltung der Firma MTL Instruments ist international patentiert (UK Patent 2368206, US Patent 6751076 und 10132 415 für Deutschland). Ähnliche Schutzschaltungen werden bereits für andere eigensichere Schaltungen gemäß Ex ib für Anwendungen in den Ex-Zonen 1 und 2 verwendet.

Eigensicher bis 200 Watt

Fast-Switch ist einfacher aufgebaut als die klassischen Strom- und Spannungsbegrenzungen und kommt beispielsweise ohne die sonst üblichen redundanten Schutzschaltungen bei der Eigensicherheit aus. Im Vergleich zu der bekannten Energiebegrenzung „Eigensicherheit“ mit rund 100 mW Verlustleistung hat die Fast-Switch-Schutzschaltung mit weniger als 10 mW Verlustleistung eine geringere Eigenerwärmung. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, auch Funktionsmodule mit höherer Leistung im laufenden Betrieb austauschen zu können: In der aktuell realisierten Variante stehen 10 W eigensichere Leistung bei 24 V Versorgungsspannung und 0,5 A Speisestrom zur Verfügung. Aber auch höhere Leistungsabgaben sind möglich. Prototypen mit 200 W eigensicherer Leistung wurden bereits in Wasserstoffatmosphäre erfolgreich getestet. Die Fast-Switch-Technik wurde von unabhängigen Instituten überprüft und hat ihre Funktionsfähigkeit mittels Funkenprüfgerät nachgewiesen.

Die Einsatz-Szenarien

Eine typische Anwendung für die Fast-Switch-Technik stellt die Energieversorgung modular aufgebauter Automatisierungskomponenten dar, beispielsweise Remote-I/Os, Feldbus- oder eigensichere Ethernet-Systeme. Diese System-Komponenten werden gewöhnlich in der Ex-Zone 2 oder 1 montiert. Die angeschlossenen Feldsignale befinden sich dagegen in der Ex-Zone 1. Darüber hinaus eignet sich die Technologie zur redundanten Energieversorgung von Feldbussen, für WLAN-Access-Points, Video-Systeme sowie Feldgeräte und Remote-I/Os mit eigensicherem Ethernet-Eingang.

Eigensichere Ethernet-Komponenten mit integrierter Fast-Switch-Technologie: Medienkonverter (Cu/LWL), Switch, Schnittstellenkonverter (RS232/485 auf EX-i-Ethernet), Ethernet-Trennbaustein und WLAN-Access-Point.

MTL setzt die Fast-Switch-Schutzschaltung in ihren eigensicheren Ethernet-Komponenten der Serie 9460 ein. Die Ex-i-Geräteserie besteht aus folgenden Komponenten: Ethernet-Switch, WLAN-Access-Point, Kupfer/LWL-Umsetzer, Seriell-Ethernet-Konverter, Trennbaustein zwischen Standard- und Ex-i-Ethernet sowie eigensicheres Netzteil für die Spannungsversorgung der Geräte.

In der Prozessautomation kommen häufig die eigensicheren Feldbusse Profibus-PA und Foundation Fieldbus zum Einsatz, bei denen die Hilfsenergie und Prozessdaten über ein 2-Leiterkabel übertragen werden. Der Vorteil: Die Feldgeräte und Feldbus-Komponenten lassen sich beliebig im laufenden Betrieb austauschen. Die Ex-i-Ethernet-Technologie von MTL ermöglicht die Verwendung von Ethernet auf ähnliche Weise in Ex-Zonen, da auch hier Daten und Hilfsenergie über ein Kabel übertragen werden. Der Vorteil gegenüber den Feldbussen liegt in der wesentlich höheren Übertragungsbandbreite, die beispielsweise für komplexe Feldgeräte notwendig ist: Radar-Füllstandsmesser, Masse-Durchflussmesser oder Waagen nutzen serielle Übertragungsprotokolle (RS232/485) zur Kalibrierung und für zusätzliche Funktionen wie die Diagnose. Über den Seriell/Ethernet-Konverter und Übertragungsprotokolle wie Modbus/ RTU können diese Geräte direkt mit der Leitwarte kommunizieren.

Insgesamt gibt es vier Implementierungsvarianten:

1. Übertragung nicht-eigensicherer Signale aus explosionsgefährdeten Bereichen: In diesem Fall ist die Geräte-Elektronik beispielsweise in ein druckgekapseltes Gehäuse (Ex d) eingebaut. Das elektrische Signal muss bislang über einen Trennbaustein für die Verwendung im Ex-Bereich angepasst werden. Künftig lässt sich das serielle Signal über den Seriell-zu-Ethernet-Konverter in das Kommunikationsnetzwerk einbinden.
2. Übertragung eines nicht-eigensicheren Signals durch explosionsgefährdete Bereiche: Bei diesem Anwendungsfall sind die Anforderungen an das Gehäuse für die Feldgeräte-Elektronik geringer, da sich das Feldgerät außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches befindet. Deshalb entfallen das Ex-d-zertifizierte Gehäuse und der Trennbaustein. Das serielle Signal (nicht Ex-i) kann direkt an den Seriell-zu-Ethernet-Konverter geführt werden, da der Physical-Layer bei den Geräten mit Fast-Switch-Technologie bereits eigensicher ausgeführt ist. Daher kann dieses Signal beziehungsweise die entsprechende Ethernet-Leitung ohne weitere Maßnahmen durch explosionsgefährdete Bereiche zur Leitwarte verlegt werden.
3. Übertragung von Ex-i-Signalen: In diesem Fall sind die seriellen Signale bereits eigensicher. Daher kann das Gerät direkt an den Seriell-Ethernet-Umsetzer angeschlossen werden. Die Montage der Komponenten erfolgt in Standard-Gehäusen, da alle Komponenten bereits eigensicher sind
4. Mobile Anwendungen für eigensichere PDAs und Ex-taugliche Industrie-PCs: Viele Anwender haben die Vorteile erkannt, die mobile Bediengeräte und -terminals bieten – selbst in Ex-Zonen. Mittlerweile gibt es etliche eigensichere PDAs und für den Betrieb in der Ex-Zone 2 zugelassene Industrie-PCs, die das WLANProtokoll IEEE 802.11 unterstützen. Die bislang meistens eingesetzten Standard-Access-Points in druckgekapselten Gehäusen (Ex d) haben gegenüber eigensicheren Access-Points Nachteile hinsichtlich Systemaufbau und Ex-Zulassung, da die Integration des Antennenanschlusses in ein druckgekapseltes Gehäuse komplex ist. Bei eigensicheren Access-Points können dagegen handelsübliche Antennen und Stecker verwendet werden, die aufgrund ihrer geringen Kapazitäten und Induktivitäten als einfache Betriebsmittel eingestuft sind.

Die Anwendungsbeispiele zeigen, dass ebenso große Distanzen überbrückt wie auch bestehende Feldbus-Protokolle in die Ex-i-Ethernet-Übertragung eingebunden werden können. Der Aufbau einer kompletten Ethernet-Infrastruktur im explosionsgefährdeten Bereich ist also möglich.

Autor

Thomas Menze ist Geschäftsführer bei MTL Instruments Deutschland in Kaarst.