Explosionsschutz Theorie und Praxis

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1 Explosionsschutz Theorie und Praxis

2 Explosionsschutz Diese Broschüre liefert Ihnen einen Einblick in das Thema Explosionsschutz. Sie bietet Planern, Einrichtern und Betreibern von Anlagen eine Hilfestellung bei der täglichen Arbeit, kann aber das Studium der entsprechenden Rechts- und Normengrundlagen nicht ersetzen. Nicht nur in klassischen Anlagen der chemischen und petrochemischen Industrie muss man sich dem Explosionsschutz stellen. Auch in den auf den ersten Blick harmlosen Bereichen, wie z. B. der Lebensmittelindustrie, ist ein erhebliches Gefahrenpotential vorhanden. Gerne bringt man Explosionsschutz mit Gasen in Verbindung. Doch auch bei Stäuben können explosionsfähige Atmosphären entstehen. 2 PHOENIX CONTACT

3 Inhalt 1 Grundlagen Explosionsschutz Richtlinien, Normen, Bestimmungen Zoneneinteilung Zündschutzarten Kennzeichnung von Ex-Produkten 25 Die Broschüre ist in drei Bereiche unterteilt. Im ersten Teil werden die Grundlagen zum Explosionsschutz erläutert. Dadurch soll das Verständnis für die besonderen Risiken geweckt werden. Der Explosionsschutz stützt sich weltweit im Wesentlichen auf die europäischen und ameri kanischen Normen, Standards und Richtlinien. Der zweite Teil hilft dem Anwender von elektrischen Betriebsmitteln für den explosionsgefährdeten Bereich. Es wird dargestellt, welche Explosionsschutzkriterien berücksichtigt werden müssen. Neben den Betriebsmitteln der MSR-Technik für eigensichere Stromkreise finden Sie auch Informationen zu Reihenklemmen und Überspannungsschutz für den explosionsgefährdeten Bereich. 2 Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen Installation eigensicherer Stromkreise Überspannungsschutz im Ex-Bereich Verbindungstechnik Gehäuseeinführungen Installationsbeispiele Nachweis der Eigensicherheit 42 3 Technisches Basiswissen MSR-Technik SIL-Grundlagen Glossar 16 Der dritte Teil enthält technisches Basiswissen zur MSR-Technik und zur Funktionalen Sicherheit. Zu den in dieser Broschüre angegebenen Produkten finden Sie weitergehende Informationen in den Katalogen von Phoenix Contact und im Internet unter PHOENIX CONTACT 3

4 1 Grundlagen Explosionsschutz Die Sicherheit von Menschen, ein sicherer, störungsfreier Produktionsprozess und eine saubere Umwelt sind wichtige Ziele der Prozess- und Verfahrenstechnik. Das Wissen um die Entstehung und Vermeidung von Explosionen überall dort, wo brennbare Stoffe, Sauerstoff und Zündquellen auf einander treffen können, ist hierfür die Voraussetzung, diese Ziele zu erreichen. brennbarer Stoff Sauerstoff Zündquelle 4 PHOENIX CONTACT

5 Entstehung einer Explosion Vollkommene Verbrennung Eine vollkommene Verbrennung ist eine rasch ablaufende Oxidation. Sie wird als Schadfeuer bezeichnet, bei dem unter ausreichender Zufuhr von Sauerstoff ein brennbares Material exotherm zersetzt wird. Mit zunehmender Ausbreitungsgeschwindigkeit spricht man von einer Verpuffung, dann von einer Explosion und im Extremfall von einer Detonation. Bei einer vollkommenen Verbrennung wird Schaden verursacht, der mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit erheblich zunimmt. Größenordnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit: Verpuffung cm/s Explosion m/s Detonation km/s Explosion Eine Explosion kann entstehen, wenn eine Schnittmenge aus einem brennbaren Stoff, Sauerstoff und einer Zündquelle besteht. Fehlt eine Komponente, so wird die exotherme Reaktion nicht erfolgen. Brennbarer Stoff Ein brennbarer Stoff, der in Form von Gas, Nebel, Dampf oder Staub vorliegt, wird als explosionsfähiger Stoff bezeichnet. Nebel und Stäube sind explosionsfähig, wenn die Tröpfchen- bzw. Teilchengröße kleiner als 1 mm ist. Stäube mit einer größeren Teilchengröße sind in der Regel nicht zündfähig. In der Praxis vorkommende Nebel, Aerosole und Stäube haben Teilchengrößen zwischen 0,001 mm und 0,1 mm. Sauerstoff In Verbindung mit einem explosionsfähigen Stoff entsteht mit Sauerstoff eine explosionsfähige Atmosphäre. Übersicht wirksamer Zündquellen Zündquelle Funken Lichtbögen Heiße Oberflächen Flammen und heiße Gase Elektrische Anlagen Beispiel für die Ursache Mechanisch erzeugte Funken (z. B. durch Reib-, Schlag- oder Abtragvorgänge), elektrische Funken. Kurzschluss, Schaltvorgänge. Heizkörper, spanabhebende Bearbeitung, Erwärmung im Betrieb. Verbrennungsreaktionen, Funkenflug bei Schweißarbeiten. Öffnen/Schließen von Kontakten, Wackelkontakt. Schutzkleinspannungen (U <50 V) sind keine Maßnahme des Explosionsschutzes. Es kann auch bei kleinen Spannungen noch genügend Energie erzeugt werden, um eine explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden. Statische Elektrizität Elektrische Ausgleichsströme, kathodischer Korrosionsschutz Elektromagnetische Wellen im Bereich 3 x x Hz Hochfrequenz x Hz Blitzschlag Ionisierende Strahlung Ultraschall Adiabatische Kompression und Stoß wellen Exotherme Reaktionen Entladung aufgeladener, isoliert angeordneter leitender Teile, z. B. bei vielen Kunststoffen. Rückströme von Generatoren, Körper-/Erdschluss bei Fehlern, Induktion. Laserstrahl zur Entfernungsmessung, insbesondere bei Fokussierung. Funksignale, industrielle Hochfrequenzgeneratoren für Erwärmung, Trocknung oder Schneiden. Atmosphärische Wetterstörungen. Röntgengerät, radioaktiver Stoff, Absorption von Energie führt zur Erwärmung. Absorption von Energie in festen/flüssigen Stoffen führt zur Erwärmung. Schlagartiges Öffnen von Ventilen. Chemische Reaktion führt zur Erwärmung. PHOENIX CONTACT 5

6 Obere und untere Explosionsgrenzen Bei Gasen entscheidet das Konzentrationsverhältnis, ob eine Explosion möglich ist. Nur wenn die Konzentration des Stoffes in Luft innerhalb der unteren Explosionsgrenze (UEG) und oberen Explosionsgrenze (OEG) liegt, kann das Gemisch gezündet werden. Einige chemisch unbeständige Stoffe (z. B. Acetylen, Ethylenoxid) können auch ohne Sauerstoff durch Selbstzersetzung exotherme Reaktionen eingehen. Die obere Explosionsgrenze (OEG) verschiebt sich auf 100 Volumen prozent. Der Explosionsbereich eines Stoffs erweitert sich mit steigendem Druck und steigender Temperatur. Für Stäube lassen sich ähnliche Angaben machen wie für Gase, auch wenn die Explosionsgrenzen hier nicht die gleiche Bedeutung haben. Staubwolken sind in der Regel inhomogen und die Konzentration innerhalb einer Staubwolke schwankt sehr stark. Es lassen sich für Stäube eine untere Zündgrenze (bei ca g/m 3 ) und eine obere Zündgrenze (bei ca kg/m 3 ) ermitteln. Explosionsgrenzen von Wasserstoff zu mager untere Explosionsgrenze obere Explosionsgrenze zu fett Explosive Atmosphäre Volumen-% brennbarer Stoffe Beispiele von Gasen unter Normaldruck Aceton Acetylen Ammoniak Butan Dieselkraftstoff Kohlenmonoxid Methan Ottokraftstoff Schwefelkohlenstoff Volumen-% brennbarer Stoffe Wasserstoff 2,5 13 2, ,5 33,6 1,4 9,3 0,6 6,5 10,9 76 4,4 16,5 0,6 8 0, PHOENIX CONTACT

7 1.1 Richtlinien, Normen und Bestimmungen Explosionsschutz in Europa ATEX-Richtlinien Mit den sogenannten ATEX-Richtlinien wird der freie Warenhandel in Europa festgelegt. Der Begriff ATEX ergibt sich aus den französischen Worten ATmosphère EXplosible. In dem Konzept der Europäischen Union sind für den Explosionsschutz die ATEX-Richtlinie 94/9/EG für Hersteller und die Richtlinie 1999/92/EG für Betreiber eingeführt. Diese Richtlinien sind in den Mitgliedsstaaten in nationales Recht umzusetzen. Gerätegruppe und -kategorie nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG Gerätegruppe II: Über Tage Explosionsgefährdete Bereiche Zielgruppe Richtlinie Gebräuchliche Bezeichnung* Hersteller 94/9/EG ATEX 100a ATEX 95 Betreiber 1999/92/EG ATEX 118a ATEX 137 * Die Richtlinie stützt sich jeweils auf einen Artikel des Vertrags zur Gründung der europäischen Union. Der Artikel hat sich in der Nummerierung verschoben. Gerätegruppe I: Unter Tage Schlagwettergefährdete Bereiche = Kohlebergbau Um das geeignete Verfahren zur Konformitätsbewertung festzulegen, muss der Hersteller zunächst anhand der bestimmungsgemäßen Verwendung entscheiden, zu welcher Gerätegruppe und -kategorie das Produkt gehört (siehe Tabelle nächste Seite). Gerätegruppe I: Geräte zur Verwendung im Untertagebetrieb von Bergwerken und deren Übertageanlagen, die durch Grubengase (Methan) oder brennbare Stäube gefährdet werden. Gerätegruppe II: Geräte zur Verwendung in den übrigen Bereichen, die durch eine explosionsfähige Atmosphäre gefährdet werden können. Den Gerätegruppen werden in der Richtlinie 94/9/EG Kategorien zugeordnet. Für die Gerätegruppe I wird die Kategorie M1 und M2 festgelegt. In der Gerätegruppe II werden drei Kategorien 1, 2 und 3 definiert. Über die Kategorie wird in der Betreiberrichtlinie 1999/92/EG die Verbindung zu den Zonen hergestellt. PHOENIX CONTACT 7

8 Anforderungen an Gerätegruppe und -kategorie Gerätegruppe Kategorie Schutzgrad Gewährleistung des Schutzes Betriebsbedingungen I M1 Sehr hoher Grad an Sicherheit Zwei unabhängige Schutzmaßnahmen. Sicher, wenn zwei Fehler unabhängig voneinander auftreten. Produkte müssen aus Sicherheitsgründen bei vorhandener explosionsfähiger Atmosphäre weiter betrieben werden können. I M2 Hoher Grad an Sicherheit Schutzmaßnahmen bei normalem Betrieb auch unter erschwerten Bedingungen wirksam. Diese Produkte müssen beim Auftreten einer explosionsfähigen Atmosphäre abgeschaltet werden können. II 1 Sehr hoch Zwei unabhängige Schutzmaßnahmen. Sicher, wenn zwei Fehler unabhängig voneinander auftreten. Geräte bleiben in den Zonen 0, 1, 2 (G) und 20, 21, 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben. II 2 Hoch Im normalen Betrieb und bei üblicherweise auftretenden Fehlern sicher. Geräte bleiben in den Zonen 1, 2 (G) und 21, 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben. II 3 Normal Im normalen Betrieb sicher. Geräte bleiben in den Zonen 2 (G) und 22 (D) weiter einsatzbereit und werden weiter betrieben. Konformitätsbewertung Grundlage der Konformitätsbewertung ist die Einstufung der elektrischen Betriebsmittel in Gerätegruppe und Kategorie. Die Grafik zeigt den Zusammenhang. Mit Ausnahme von Geräten der Kategorie 3 und der Einzelprüfung ist im Rahmen der Konformitätsbewertung eine EG-Baumusterprüfung notwendig. Die Überprüfung der Module wird durch eine benannte Stelle durchgeführt. Hier ein Beispiel: CE 0344 CE: EG-Konformität bei Betriebsmitteln. Komponenten werden nicht mit dem CE-Zeichen gekennzeichnet. 0344: benannte Stelle, hier KEMA. Kategorie 3 Geräte werden nicht mit der Nummer einer benannten Stelle gekennzeichnet, da sie nicht der Fertigungsüberwachung einer benannten Stelle unterliegen. * Optional möglich, ähnliches Verfahren. Gruppe I Kategorie 1 M1 M1 Kategorie 2 Kategorie 3 QS Produktion oder Prüfung Produkt c 0344 EG-Baumusterprüfung QS Produkt oder Konformität mit Bauart c 0344 Gruppe II Konformitätsbewertung nach Richtlinie 94/9/EG für elektrische Betriebsmittel * * Interne Fertigungskontrolle c Einzelprüfung c PHOENIX CONTACT

9 Benannte Stelle (Notified Body) nach 94/4/EG (Auszug) Das EG-Baumusterprüfungszertifikat bescheinigt die durchgeführte Prüfung durch eine benannte Stelle. Benannte Stellen sind durch die EU festgelegt. Prüfstelle Land Kennung PTB Deutschland 0102 DEKRA EXAM Deutschland 0158 TÜV Nord Deutschland 0044 IBExU Deutschland 0637 ZELM Ex Deutschland 0820 BAM Deutschland 0589 SIRA Großbritannien 0518 INERIS Frankreich 0080 LCIE Frankreich 0081 LOM Spanien 0163 KEMA Niederlande 0344 CESI Italien 0722 UL DEMKO Dänemark 0539 NEMKO Norwegen 0470 Explosionsschutz in Nordamerika Auf Grundlage des North American Hazardous Location Systems (HazLoc) werden grundlegende Regeln für den Explosionsschutz festgelegt. Das HazLoc-System wird von den folgenden Institutionen geprägt: Underwriters Laboratories Inc. (UL) CSA International (CSA) Factory Mutual Research (FM) Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) The Instrumentation, Systems and Automation Society (ISA) Mine Safety and Health Administration (MSHA) National Electrical Manufacturers Association (NEMA) National Fire Protection Association (NFPA) United States Coast Guard (USCG) Als Basis des Explosionsschutzes in Nordamerika gelten in den USA der National Electrical Code (NEC) und in Kanada der Canadian Electrical Code (CEC). Die aufgeführten Auszüge aus NEC und CEC beziehen sich auf den Explosionsschutz. National Electrical Code (NEC) in USA Artikel Inhalt 500 Allgemeine Anforderungen an Divisions der Class I, II und III Canadian Electrical Code (CEC) in Kanada Artikel Inhalt Allgemeine Anforderungen an Class I/Zone und Class II und III/Divisions 501 Anforderungen an Divisions der Class I 502 Anforderungen an Divisions der Class II 503 Anforderungen an Divisions der Class III 504 Anforderungen an Divisions der Class I, II und III in Bezug auf Eigensicherheit (IS) 505 Allgemeine und spezielle Anforderungen an die Zone 0, 1 und Allgemeine und spezielle Anforderungen an die Zone 20, 21 und Anforderungen an Zone 0 der Class I Anforderungen an Zone 1 und 2 der Class II Anforderungen an Divisions der Class II Anforderungen an Divisions der Class III Anhang J Allgemeine und spezielle Anforderungen an Divisions der Class I PHOENIX CONTACT 9

10 Normung elektrischer Explosionsschutz Bei der Entwicklung von Geräten gibt die Einhaltung von Normen Herstellern und den späteren Betreiber eine gewisse Handlungssicherheit. Je nach Einsatzgebiet können entsprechende Normen und Standards herangezogen werden. Die ATEX-Richtlinie legt beispielsweise/z. B. die Einhaltung grundlegender Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen fest. Die Umsetzung kann von Herstellern oder Betreibern durch harmonisierte Normen oder ein geeignetes eigenes Konzept erfüllt werden. Die harmonisierten Normen werden im Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht, durch deren Anwendung gilt die Konformitätsvermutung. Normen bzw. Standards für elektrische Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdeten Bereichen Zündschutzart Allgemeine Bestimmungen Eigensicherheit Erhöhte Sicherheit Nonincendive Explosionproof Druckfeste Kapselung USA-Basis Prinzip EN-Norm IEC-Norm Basis für Zündschutzarten FM (USA) EN IEC FM 3600 (ISA ) Wählt der Hersteller ein eigenes Konzept, ist ein ausführlicher Nachweis erforderlich. Ein Certificate of Conformity durch IECEx ist nur bei Einhaltung der entsprechenden IEC-Normen möglich. UL (USA, Div.) UL (USA, Zone) CSA (Canada) CSA E Ex i Energiebegrenzung EN IEC AEx i NEC505 FM 3610 UL 913 UL CSA E (IS) NEC504 FM 3610 Ex e Konstruktive EN IEC AEx e NEC505 Maßnahmen durch FM 3600 Abstand und (ISA ) Dimensionierung (NI) NEC500 Konstruktive Maßnahmen durch Abstand (XP) NEC500 Konstruktive Maßnahmen durch Einschluss FM 3615 Ex d Konstruktive Maßnahmen EN IEC AEx d NEC505 durch FM 3600 Einschluss (ISA ) Ex m Ausschluss EN IEC AEx m NEC505 explosionsfähiger FM 3600 Atmosphäre (ISA ) EN IEC AEx o NEC505 explosionsfähiger FM 3600 Atmosphäre (ISA ) Ex q Ausschluss EN IEC FM 3622 AEx q NEC505 explosions fähiger FM 3600 Atmosphäre (ISA ) Ex p Ausschluss EN IEC explosions fähiger Atmosphäre Ölkapselung Ex o Ausschluss Vergusskapselung Sandkapselung Überdruckkapselung Zündschutzart n Eigensichere elektrische Systeme i-sys UL2279 Pt.7 UL CSA E FM 3611 ISA C22.2 No. 213 z. B. Gehäuse: UL 1203 C22.2 No. 30 UL2279 Pt.1 UL CSA E UL2279 Pt.18 UL CSA E UL2279 Pt.6 UL CSA E UL2279 Pt.5 UL CSA E AEx p NEC UL CSA E Typ X, Y, Z NEC500 FM 3620 NFPA 496 Ex n Verbesserte EN IEC AEx n NEC505 Industriequalität FM 3600 UL2279 Pt.15 UL CSA E (ISA ) Ex i Energiebegrenzung in zusammengeschalteten eigensicheren Stromkreisen EN IEC Eigensichere Feldbussysteme Optische Strahlung Ex i Energiebegrenzung EN IEC Ex op Begrenzung der Strahlungsleistung EN IEC PHOENIX CONTACT

11 Staubexplosionsschutz in Europa In der Analogie zur Normung für den Gasexplosionsschutz gibt es Normen für den Staubexplosionsschutz. Es wird an der Zusammenführung der Gas- und Staubnormen gearbeitet. Dies ist möglich, da die Normenreihe für den Staubexplosionsschutz 61241, wie die Normenreihe für den Gasexplosionsschutz 60079, Zündschutzarten beinhaltet. Die Normenreihe ist bereits zum Teil in die Normenreihe übernommen worden. Normen bzw. Standards für elektrische Betriebsmittel in staubexplosionsgefährdeten Bereichen Zündschutzart USA-Basis Prinzip EN-Norm IEC-Norm FM (USA) Allgemeine Bestimmungen Schutz durch Gehäuse Basis für Zündschutzarten Eigensicherheit Ex i Energiebegrenzung EN EN Ex t Schutz durch Gehäuse- EN IEC ISA (DIP) NEC500 Konstruktion FM 3616 UL 1203 FM 3611 (NI) NEC500 FM 3611 IEC FM 3610 UL 913 ISA IEC Überdruckkapselung UL (USA, Div.) UL (USA, Zone) EN IEC FM 3600 ISA Ex p Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN IEC FM 3620 NFPA 496 ISA CSA Canada) Vergusskapselung Ex m Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN IEC ISA Abkürzungen auf Basis der NEC500 in Nordamerika XP Explosionsgeschützt IS Betriebsmittel mit eigensicheren Stromkreisen AIS Zugehörige Betriebsmittel mit eigensicheren Stromkreisen ANI Zugehöriger nichtzündender Feldstromkreis PX, PY, PZ Überdruckkapselung APX, APY, APZ Zugehöriges Überdrucksystem oder Komponente NI Nichtzündende Betriebsmittel und nichtzündender Feldstromkreis DIP Staubzündschutz Normung mechanischer Explosionsschutz Die ATEX-Richtlinie 94/9/EG enthält harmonisierte Anforderungen an nichtelektrische Geräte, auch für den Einsatz in staubexplosionsgefährdeten Bereichen. In Analogie zur Normung für elektrische Geräte gibt es Normen für nichtelektrische Geräte. Normen für nichtelektrische Betriebsmittel in explosionsgefährdeten Bereichen Zündschutzart EN-Norm Grundlagen und Anforderungen EN fr Schwadenhemmendes Gehäuse EN (nur für Gerätekategorie 3) d Druckfeste Kapselung EN c Konstruktive Sicherheit EN b Zündquellenüberwachung EN p Überdruckkapselung EN k Flüssigkeitskapselung EN PHOENIX CONTACT 11

12 Normung Planung, Errichtung und Betrieb Die Richtlinie 1999/92/EG erfordert vom Betreiber prozesstechnische Anlagen, die Sicherstellung des Explosionsschutzes. Die hierzu einzuhaltenden Anforderungen sind in EN- und IEC- Normen angegeben. Bezeichnung EN-Norm IEC-Norm Explosionsschutz EN Teil 1: Grundlagen und Methodik Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 10: Einteilung der explosionsgefährdeten Bereiche EN neu: EN IEC neu: IEC Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 14: Elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen EN IEC Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche Teil 17: Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosions gefährdeten Bereichen (ausgenommen Grubenbaue) EN IEC Explosionsfähige Atmosphäre Teil 19: Gerätereparatur, Überholung und Regenerierung EN IEC Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 10: Einteilung von staubexplosionsgefährdeten Bereichen EN neu: EN IEC neu: IEC Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 14: Auswahl und Errichten EN IEC Elektrische Betriebsmittel zur Verwendung in Bereichen mit brennbarem Staub Teil 17: Prüfung und Instandhaltung elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen (ausgenommen Grubenbaue) EN IEC PHOENIX CONTACT

13 1.2 Zoneneinteilung Europa Explosionsgefährdete Bereiche werden genormten Zonen zugeordnet, die in zwei Bereiche unterschieden werden: Gasexplosionsgefährdete Bereiche Staubexplosionsgefährdete Bereiche Die Zonen wurden bisher für Gase in der EN und für Stäube in EN definiert. Im Rahmen der Überführung der Staubnormenreihe EN in die Normenreihe EN wurde die Einteilung in gas- und staubexplosionsgefährdete Bereiche in die EN Teil 10-1 und 10-2 übernommen. Weiterhin wurde von dem Europäischen Komitee Normung (CEN) die Norm EN erstellt. Die EN beinhaltet grundlegende Informationen zum Explosionsschutz und unterstützt beide ATEX-Richtlinien (94/9/EG und 1999/92/EG). Die Einteilung der Zonen erfolgt aufgrund der Häufigkeit des Auftretens von explosionsfähiger Atmosphäre. In den Explosionsschutz-Regeln der Berufsgenossenschaft Chemie in Deutschland sind weitere Hilfestellungen zur Zoneneinteilung zu finden. Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche In der EN sind die Zonen für gasexplosionsgefährdete Bereiche definiert. Zonen Art der Gefahr Zone 0 Ständig, lange Zeiträume, häufig Zone 1 Gelegentlich Zone 2 Normalerweise nicht, nur kurzzeitig Beispiel für Zoneneinteilung Ventil Zone 1 Zone 0 Zone 2 Senke PHOENIX CONTACT 13

14 Stäube wurden früher in Deutschland in zwei Zonen unterteilt. Im Rahmen der Überarbeitung von Normen auf Grund von europäischen Richtlinien wurde die Zoneneinteilung auch bei Stäuben europaweit in drei Zonen unterteilt. Es ist aber zu berücksichtigen, dass die Zonen 10 und 11 nicht ungeprüft auf die neue Zoneneinteilung übertragen werden können. Zusammenhang zwischen Zone und Kategorie Der Zusammenhang zwischen den Zonen und Gerätekategorien wird im Anhang 2 in der Betreiberrichtlinie 1999/92/EG hergestellt. Zuordnung nach 1999/92/EG Zonen für staubexplosionsgefährdete Bereiche In der EN sind die Zonen erstmals für staubexplosionsgefährdete Bereiche* definiert. Heute sind sie in der EN zu finden. Einteilung in Deutschland vor ATEX Einteilung nach ATEX Art der Gefahr Zone Gerätekategorie 0, , 21 1, 2 2, 22 1, 2, 3 Zone 10 Zone 20 Zone 21 Ständig, lange Zeiträume, häufig Gelegentlich Zone 11 Zone 22 Normalerweise nicht, nur kurzzeitig Nordamerika Entsprechend dem National Electrical Code (NEC) werden in den USA Zonen bzw. Divisionen eingeteilt. Für Kanada wird gemäß dem Canadian Electrical Code (CEC) entsprechend verfahren. Der Vergleich mit den IEC-/ EN-Zoneneinteilungen kann nur als grobe Näherung betrachtet werden. Die Konvertierung muss im Einzelfall überprüft werden. Insbesondere gilt dies für elektrische Betriebsmittel für Division 2. Diese lassen sich oft nicht ohne zusätzliche Prüfung und Zertifizierung in Zone 2 einsetzen. Im vereinfachten Zuordnungsschema werden die Möglichkeiten dargestellt. Explosionsgefährdete Bereiche mit typischen Stoffen Bereich CLASS I (Gase und Dämpfe) Gruppen (typischer Stoff) Group A (Acetylen) Group B (Wasserstoff) Group C (Ethylen) Group D (Propan) CLASS II (Stäube) Group E (Metallstaub) Group F (Kohlestaub) Group G (Getreidestaub) CLASS III (Fasern) Keine Untergruppen Vereinfachtes Zuordnungsschema für Zonen und Division Bereiche IEC/EN Zone 0 Zone 1 Zone 2 USA: NEC 505 Zone 0 Zone 1 Zone 2 USA: NEC 500 Division 1 Division 2 Explosionsfähiger Stoff Class Group Explosionsfähiger Stoff Class Group Gas/Nebel oder Flüssigkeit I A, B, C, D Gas/Nebel oder Flüssigkeit I A, B, C, D Staub II E, F, G Staub II F, G Fasern III Fasern III 14 PHOENIX CONTACT * Grobe Zuordnung, im Einzelfall zu überprüfen.

15 Class, Division, Zone Einteilung Class I, Division 1 Explosionsfähige Atmosphäre Gas, Flüssigkeit und Dampf Art der Gefahr Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten können permanent oder zeitweise unter normalen Betriebsbedingungen existieren. Class I, Division 2 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten treten wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf. Class I, Zone 0 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten treten unter normalen Betriebsbedingungen permanent oder über einen langen Zeitraum auf. Class I, Zone 1 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten treten wahrscheinlich unter normalen Betriebsbedingungen auf. Class I, Zone 2 Gas, Flüssigkeit und Dampf Zündfähige Konzentrationen entflammbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten treten wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf. Class II, Division 1 Staub Zündfähige Konzentrationen brennbaren Staubs können permanent oder zeitweise unter normalen Betriebsbedingungen existieren. Class II, Division 2 Staub Zündfähige Konzentrationen brennbaren Staubs treten wahrscheinlich nicht unter normalen Betriebsbedingungen auf. Class III, Division 1 Fasern Bereiche, in denen leicht entzündbare Fasern verarbeitet oder transportiert werden. Class III, Division 2 Fasern Bereiche, in denen leicht entzündbare Fasern gelagert oder transportiert werden. PHOENIX CONTACT 15

16 1.3 Zündschutzarten Allgemeine Anforderungen Die Basis für die genormten Zündschutzarten sind die Anforderungen an die Oberflächentemperatur, die Luftund Kriechstrecken, die Kennzeichnung von elektrischen Betriebsmitteln, die Zuordnung der elektrischen Betriebsmittel an das Einsatzgebiet und der Zonen. Alles, was über die grundsätzlich notwendigen und allgemein gültigen Anforderungen hinausgeht, wird in der jeweiligen Zündschutzart festgelegt. Einteilung der Geräte in Gruppen Die ATEX-Richtlinie fordert eine Einteilung der Geräte in Gerätegruppen. Dem Untertagebetrieb wird die Geräte gruppe I zugeordnet. Diese Gruppe wurde früher mit dem Begriff Schlagwettergefährdet (alte Abkürzung: Sch) bezeichnet. Alle anderen explosionsgefährdeten Bereiche werden der Gerätegruppe II zugeordnet. Beispiele sind Petrochemie, Chemie und Siloanlagen mit brennbaren Stäuben. Diese Gruppe wurde früher mit dem Begriff Explosionsgefährdet (alte Abkürzung: Ex) bezeichnet. Zusätzlich zu den Gerätegruppen nach ATEX-Richtlinie werden Geräte nach der Normenreihe entsprechend ihres späteren Einsatzbereichs einer weiteren Gruppe zugeordnet. In den Zündschutzarten Eigensicherheit, Druckfeste Kapselung und Zündschutzart n wurden die Geräte für Gase zusätzlich in die Gruppen IIA, IIB und IIC eingeordnet. Maximal zulässige Energie nach EN Gruppe Maximal zulässige Energie IIC 20 μj IIB 80 μj IIA 160 μj In der neuen EN :2009 wird nicht mehr zwischen den Zündschutzarten unterschieden. Die Zuordnung zu den Gruppen IIA, IIB oder IIC ist für alle vorzunehmen. Weiterhin wird in der EN :2009 eine dritte Gruppe eingeführt. Die Gruppe III beschreibt die brennbaren Stäube, die ebenfalls weiter unterteilt wird, in IIIA, IIIB, IIIC. Bereiche Schlagwettergefährdete Grubenbaue Gasexplosionsgefährdete Bereiche Gerätegruppe nach Richtlinie 94/9/EG Gruppe nach EN :2006 Gruppe nach EN :2009 Gruppe I Gruppe I Gruppe I Gruppe II Gruppe II IIA Gruppe II ** IIB Staubexplosionsgefährdete IIC IIIA Bereiche Gruppe II Gruppe III * IIIB IIIC * IIIA: brennbare Flusen, IIIB: nichtleitfähiger Staub, IIIC: leitfähiger Staub. ** In Abhängigkeit von der Zündschutzart. IIA IIB IIC 16 PHOENIX CONTACT

17 Temperaturklassen/-grenzen bei Gasen und Stäuben Temperaturen für die Gruppe I Die maximal zulässige Oberflächentemperatur der Betriebsmittel ist abhängig von der Art der Ablagerung von Kohlestaub. Gruppe I Temperatur Bedingungen Schlagwettergefährdeter Grubenbau (Kohlebergbau) 150 C 450 C Mit Ablagerung von Kohlestaub am Betriebsmittel Ohne Ablagerung von Kohlestaub am Betriebsmittel Temperaturklassen für die Gruppe II Die Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre kann verhindert werden, wenn die Oberflächentemperatur der Betriebsmittel niedriger ist als die Zündtemperatur des umgebenden Gases. Die Oberflächentemperatur gilt für alle Teile eines elektrischen Betriebsmittels, die in Berührung mit dem explosionsfähigen Stoff kommen können. Der überwiegende Teil der Gase lässt sich den Temperaturklassen T1 bis T3 zuordnen. Zulässige Oberflächentem peratur für Gase Zündtemperatur des Gases Ammoniak 630 C Methan 595 C Wasserstoff 560 C Propan 470 C Ethylen 425 C Butan 365 C Acetylen 305 C Cyclohexan 259 C Diethylether 170 C Schwefelkohlenstoff 95 C Quelle: GESTIS-Stoffdatenbank Temperaturklasse Gruppe II für Europa und USA Gruppe II T1=450 T2=300 T3=200 T4=135 T5=100 T6=85 ºC T1=450 T2=300 T2A=280 T2B=260 T2C=230 T2D=215 T3=200 T3A=180 T3B=165 T3C=160 T4=135 T4C=120 T5=100 T6=85 Beispiel In einem Gehäuse der Zündschutzart Ex e IIC T6 werden Reihenklemmen eingesetzt. Dabei muss die maximal zulässige Stromstärke so bemessen werden, dass die Temperaturklasse T6 auch an den Reihenklemmen eingehalten wird. Das Gehäuse ist in IP-Schutzart IP 54 ausgeführt, aber das explosionsfähige Gas kann dennoch in das Gehäuse eindringen. Daher ist es nicht ausreichend, nur die Oberflächentemperatur des Gehäuses zu betrachten. Gehäuse Ex e mit Reihenklemmen Temperaturgrenze bei Staub Bei staubexplosionsgefährdeten Bereichen wird die maximale Oberflächentemperatur als Temperaturwert [ C] angegeben. Die maximale Oberflächentemperatur des Betriebsmittels darf die Zündtemperatur einer Staubschicht oder einer Wolke des brennbaren Staubes nicht überschreiten. Luft- und Kriechstrecke Bei den Zündschutzarten Eigensicherheit, erhöhte Sicherheit und Zündschutzart n sind Luft- und Kriechstrecken einzuhalten. Unter dem Begriff Luftstrecke wird die kürzeste Verbindung zwischen zwei Potenzialen durch die Luft definiert. Als Kriechstrecke wird die kürzeste Verbindung zwischen zwei Potenzialen über eine Oberfläche bezeichnet. Abhängig von der vergleichenden Kriechstromzahl (CTI) des Werkstoffs muss ein Mindestabstand eingehalten werden. Die Mindestabstände für Luft- und Kriechstrecken sind in der jeweiligen Zündschutzart festgelegt, die angewendet werden soll. Luftstrecken Kriechstrecken PHOENIX CONTACT 17

18 Zündschutzarten und ihre Anwendung Zündschutzarten für elektrische Betriebs mittel in gasexplosionsgefährdeten Bereichen Zündschutzart Schutzprinzip EN/IEC Zone Anwendung d Druckfeste Kapselung Verhinderung der Ausbreitung einer Explosion EN IEC oder 2 Schalt-, Befehls- und Meldegeräte, Steuerungen, Motoren, Leistungselektronik px, py, pz Überdruck kapselung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN IEC oder 2 Schalt- und Steuerschränke, Motoren, Mess- und Analysegeräte, Rechner q Sandkapselung Funken verhindern EN IEC oder 2 Transformatoren, Relais, Kondensatoren o Ölkapselung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN IEC oder 2 Transformatoren, Relais, Anlaufsteuerungen, Schaltgeräte e Erhöhte Sicherheit Funken verhindern EN IEC oder 2 Abzweig- und Verbindungskästen, Gehäuse, Motoren, Klemmen ia, ib, ic Eigensicherheit Begrenzung der Zündenergie EN IEC Eigensichere Systeme EN IEC Eigensichere Felbussysteme (FISCO), nicht funkende Feldbussysteme (FNICO) EN IEC , 1 oder 2 Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik, Sensoren, Aktoren, Instrumentierung 0, 1 oder 2 1 bzw. 2 na Nicht funkendes Betriebsmittel Vergleichbar mit Ex e EN IEC Nur Zone 2 nc Funkendes Betriebsmittel Vergleichbar mit Ex d EN IEC Nur Zone 2 nl* Energiebegrenzt * unterschiedlich in Nordamerika und Europa, zukünftig: ic Vergleichbar mit Ex i EN IEC Nur Zone 2 nr Schwadensicheres Gehäuse Schutz durch Gehäuse EN IEC Nur Zone 2 np Vereinfachte Überdruckkapselung Vergleichbar mit Ex p EN IEC Nur Zone 2 ma, mb, mc Verguss kapselung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN IEC , 1 oder 2 Spulen von Relais und Motoren, Elektronik, Magnetventile, Anschlusssysteme op is, op pr, op sh Optische Strahlung Energieübertragung von optischer Strahlung begrenzen oder vermeiden EN IEC oder 2 Optoelektronische Geräte 18 PHOENIX CONTACT

19 Zündschutzarten und ihre Anwendung Zündschutzarten für elektrische Betriebs mittel in Bereichen mit brennbarem Staub Zündschutzart Schutzprinzip EN/IEC Zone Anwendung td neu: ta, tb, tc Schutz durch Gehäuse Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN IEC neu: EN IEC oder 22 Schalt-, Befehls- und Meldegeräte, Leuchten, Abzweig- und Verbindungskästen, Gehäuse pd zukünftig: p Überdruckkapselung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN IEC zukünftig: EN IEC oder 22 Schalt- und Steuerschränke, Motoren, Mess- und Analysegeräte iad, ibd neu: ia, ib, ic Eigensicherheit Begrenzung der Zündenergie und Obrflächentemperatur EN IEC neu: EN IEC , 21 oder 22 Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik, Sensoren, Aktoren, Instrumentierung mad, mbd neu: ma, mb, mc Vergusskapselung Ausschluss explosionsfähiger Atmosphäre EN IEC neu: EN IEC , 21 oder 22 Spulen und Relais der Motoren, Elektronik und Anschlusssysteme Die Anforderungen der EN- und IEC- Normen werden zukünftig in die entsprechenden Normen für Betriebsmittel in gasexplosionsgefährdete Bereiche überführt. Bei einigen Normen ist dies bereits erfolgt. PHOENIX CONTACT 19

20 Eigensicherheit Ex i Prinzip Die Zündschutzart Eigensicherheit bezieht sich im Unterschied zu anderen Zündschutzarten (z. B. erhöhte Sicherheit) nicht nur auf einzelne Betriebsmittel, sondern auf den gesamten Stromkreis. Ein Stromkreis wird als eigensicher bezeichnet, wenn Strom und Spannung so weit begrenzt sind, dass ein Funke oder thermischer Effekt keine Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre auslösen kann. U R L Prinzipschaltbild eines Stromkreises C Um die Energie des Funken unterhalb der Zündenergie des umgebenden Gases zu halten, wird die Spannung begrenzt. Der thermische Effekt, also zu heiße Oberflächen, wird durch die Strombegrenzung verhindert. Dieses gilt auch für die an den eigensicheren Stromkreisen angeschlossenen Sensoren. Energie kann auch in Kapazitäten oder Induktivitäten innerhalb des eigensicheren Stromkreises gespeichert sein. Das muss ebenfalls bei der Betrachtung des eigensicheren Stromkreises berücksichtigt werden. U O I O =I max R Prinzipschaltbild zur Spannungs- und Strombegrenzung U O =U Z Die Zenerdiode wird ab einem definierten Spannungswert leitend. Dadurch wird die Spannung Uo in den explosionsgefährdeten Bereich begrenzt. Ein in Reihe geschalteter Widerstand begrenzt den maximalen Strom Io. Imax = Io= Uo R Mit der Begrenzung von Spannung und Strom gilt für die maximale Leistung: Po = Uo2 4R Die maximal zulässigen Werte ergeben sich aus den Zündgrenzkurven, die in der Norm EN angegeben sind. Die Zündgrenzkurven wurden mit einem Funkenprüfgerät ermittelt, wie es im Anhang B der EN beschrieben ist. Die Zündgrenzkurven enthalten Festlegungen für die Gasgruppen I sowie II. Die Gruppe II wird anhand der Zündenergien nochmals in IIA, IIB und IIC unterteilt. Zündenergien typischer Gase Gruppe I II A II B II C Typisches Gas Methan Propan Ethylen Wasserstoff Zündenergie/μJ 280 > 180 > 60 > 20 Eigensicherer Stromkreis Ein eigensicherer Stromkreis besteht aus mindestens einem eigensicheren Betriebsmittel und einem zugehörigen Betriebsmittel und Verbindungskabeln. Die Stromkreise der elektrischen Betriebsmittel erfüllen die Anforderungen der Eigensicherheit. Eigensichere Betriebsmittel dürfen nur über zugehörige Betriebsmittel mit nichteigensicheren Stromkreisen verbunden werden. Ein zugehöriges Betriebsmittel besitzt sowohl eigensichere als auch nichteigensichere Stromkreise. Die Trennung der Stromkreise erfolgt durch Zenerbarrieren oder galvanische Trenner. Eigensichere Betriebsmittel und eigensichere Teile von zugehörigen Betriebsmitteln werden nach EN in die Schutzniveau ia, ib und ic eingeordnet. Eigensicheres Betriebsmittel Zugehöriges Betriebsmittel Explosionsgefährdeter Bereich Beispiel eines eigensicheren Stromkreises Sicherer Bereich 20 PHOENIX CONTACT

21 Schutzniveau nach EN Das Schutzniveau ia, ib oder ic legt fest, ob in der Schutzbeschaltung eine 2-Fehler- oder 1-Fehler-Sicherheit oder keine Fehlersicherheit vorhanden ist. Es wird bei der Eigensicherheit eine Fehlerbetrachtung durchgeführt, um eine Explosionsgefahr auszuschließen. Damit wird aber über die Betriebssicherheit keine Aussage gemacht. Das bedeutet, ein funktionaler Totalausfall des Betriebsmittels kann, bezogen auf den Explosionsschutz, zulässig sein. Die elektrischen Betriebsmittel dürfen entsprechend dem Schutzniveau bis in Zone 0 eingesetzt werden. Bei zugehörigen Betriebsmitteln erfolgt die In stallation im sicheren Bereich, lediglich die eigensicheren Stromkreise werden entsprechend der Schutzniveaus in den explosionsgefährdeten Bereich geführt. Grundsätzlich ist es möglich, zugehörige Betriebsmittel in einer weiteren Zündschutzart auszuführen, um diese dann in Zone 2 oder ggf. sogar in Zone 1 zu installieren. Zugehörige Betriebsmittel mit/ohne galvanischer Trennung Für eigensichere Stromkreise in die Zone 0 wird von der Norm EN Kap empfohlen, zusätzlich zum Schutzniveau ia die galvanische Trennung zu bevorzugen. R Explosionsgefährdeter Bereich F1 Sicherer Bereich Ohne galvanische Trennung: Zenerbarriere Explosionsgefährdeter Bereich Mit galvanischer Trennung: Trenner Sicherer Bereich Einfaches elektrisches Betriebsmittel Einfache elektrische Betriebsmittel Einfache elektrische Betriebsmittel benötigen keine Zulassung, müssen jedoch einer Temperaturklasse zugeordnet sein und den weiteren zutreffenden Anforderungen der EN entsprechen. Die Maximaltemperatur kann aus der Leistung Po des zugehörigen Betriebsmittels berechnet und die Temperaturklasse bestimmt werden. Die Kennwerte der Energiespeicher müssen genau festgelegt werden und sind bei der Bestimmung der Gesamtsicherheit des Systems zu berücksichtigen. Zugehöriges Betriebsmittel Schutzniveau Fehlerbetrachtung Zulässige Zonen ia Nicht in der Lage, im Normalbetrieb beim Auftreten irgendeiner Kombination von zwei Fehlern eine Zündung zu verursachen. 0,1,2 Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich Übersicht einfache elektrische Betriebsmittel (EN ) ib ic Nicht in der Lage, im Normalbetrieb, beim Auftreten eines Fehlers eine Zündung zu verursachen. Gerät ist nicht in der Lage, im Normalbetrieb eine Zündung zu verursachen. 1,2 2 passive Bauelemente Energiespeicher Energiequellen* PT 100 Kondensator Thermoelement Schalter Spule Photozellen * Anforderung U 1,5V I 100mA Verteilerkästen P 25mW Widerstände PHOENIX CONTACT 21

22 Zündschutzart n Die Zündschutzart n lässt sich als eine verbesserte Industriequalität beschreiben, die für den Normalbetrieb ausgelegt ist. Eine Fehlerfallbetrachtung, wie z. B. bei der Zündschutzart Eigensicherheit, wird nicht durchgeführt. Angewendet werden kann diese nur für die Gerätegruppe II und den Einsatz des elektrischen Betriebsmittels in der Zone 2. Der Hersteller legt die technischen Daten für den Normalbetrieb fest. Bei der Zündschutzart n werden fünf Ausführungen unterschieden, die sich zum Teil aus den bekannten Zündschutzarten Erhöhte Sicherheit, Eigensicherheit, Druckfeste Kapselung, Überdruckkapselung und Vergusskapselung ableiten lassen. Diese Zündschutzart ist in Anlehnung an die US-Zündschutzart Non-Incendive (NI) entstanden und wurde normativ im Jahr 1999 in Europa eingeführt. Es wird hier in die Untergruppen na, nc, nr, nl und np unterschieden. Die Zündschutzart nl ist in der Ausgabe EN : nicht mehr enthalten. Sie ist in der Norm EN in das Schutzniveau ic aufgenommen worden. Unterteilung der Zündschutzart n in Europa Kurz zeichen Bedeutung Vergleichbar mit Methode A Nicht funkend Ex e Auftreten von Lichtbögen, Funken oder heißen Oberflächen wird minimiert. Untergliederung der Gruppe II Ab EN :2009 Unterteilung in IIA, IIB, IIC C Funkende Betriebs mittel Teilweise Ex d, Ex m Umschlossene Schalteinrichtung, nichtzündfähige Bauteile, hermetisch dichte, abgedichtet oder gekapselte Einrichtungen. IIA, IIB, IIC R Schwaden sichere Gehäuse --- Eindringen von explosiven Gasen wird beschränkt. Ab EN :2009 Unterteilung in IIA, IIB, IIC L * Energie begrenzt Ex i Energiebegrenzung, damit weder Funke noch thermische Wirkung eine Zündung hervorruft. IIA, IIB, IIC P Vereinfachte Überdruckkapselung Ex p Eindringen von explosiven Gasen wird durch Überdruck verhindert, Überwachung ohne Abschaltung. Ab EN :2009 Unterteilung in IIA, IIB, IIC Unterteilung der Zündschutzart n in Nordamerika Bezeichnung nach NEC Energy Limited nc* Hermetically Sealed nc Nonincendive nc Non-Sparking na Restricted Breathing nr Sealed Device nc Simplified Pressurization np** Bedeutung Energiebegrenzt Hermetisch verschlossen Nichtzündende Betriebsmittel Nichtfunkende Betriebsmittel Schwadensicher Verschlossene Betriebsmittel Einfache Überdruckkapselung 22 PHOENIX CONTACT * unterschiedlich in Nordamerika und Europa ** in USA als Typ X, Y und Z bezeichnet

23 Erhöhte Sicherheit Ex e In der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit können Spannungen bis 11 kv in den explosionsgefährdeten Bereich gebracht werden. Insbesondere zur Versorgung von Motoren, Leuchten und Transformatoren ist die Erhöhte Sicherheit geeignet. Das Schutzprinzip beruht auf konstruktiven Maßnahmen. Unterteilt in Spannungsebenen, werden Luft- und Kriechstrecken für die spannungsführenden Teile festgelegt. Dadurch werden elektrische Funken verhindert. Zusätzlich muss mindestens die IP-Schutzart (EN 60529) IP 54 erfüllt werden. Mit der Begrenzung der Oberflächentemperatur wird sichergestellt, dass während des Betriebs an keiner Stelle, auch nicht im Inneren des Gehäuses, die explosionsfähige Atmosphäre entzündet werden kann. Das Gehäuse schließt nicht das Eindringen von Gasen aus. Druckfeste Kapselung Ex d Bei der Zündschutzart Druckfeste Kapselung wird die Ausbreitung einer Explosion durch die Gehäusekonstruktion verhindert. Eine im Inneren stattfindende Explosion ist nicht in der Lage, die das Gehäuse umgebende explosionsfähige Atmosphäre zu zünden. Dies führt zu sehr robusten Gehäusen. Die Gehäuse besitzen Deckel und Einführungsstellen, z. B. für Kabel und Leitungen. Die hier vorhandene Grenzspaltweite wird so dimensioniert, dass eine Übertragung der Explosion vom Inneren des Gehäuses in die umgebende explosionsfähige Atmosphäre verhindert wird. Es ist nicht zulässig, bei Kabel- und Leitungseinführungen in der Zündschutzart Ex d das Gewinde zu fetten oder mit der Drahtbürste Rost zu entfernen. Dadurch kann die Spaltweite verändert und das Schutzprinzip zerstört werden. Die Vorgaben des Herstellers sind unbedingt einzuhalten. Verguss-, Sand- oder Ölkapselung Ex m, Ex q, Ex o Das Prinzip der Zündschutzarten Vergusskapselung, Sandkapselung und Ölkapselung ist das Einschließen von möglichen Zündquellen in einem elektrischen Betriebsmittel durch das Medium Vergussmasse, Sand oder Öl. Damit wird die Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert. In diesen Zündschutzarten können auch Spannungen bis kv verwendet werden. PHOENIX CONTACT 23

24 Überdruckkapselung Ex p Die Zündschutzart Überdruckkapselung beschreibt Methoden, mit denen das Eindringen von explosionsfähiger Atmosphäre in Gehäuse oder in die Schaltwarte durch Überdruck verhindert wird. Der Umgebungsdruck um das Gehäuse ist immer niedriger als innerhalb. Es sind drei Formen der Überdruckkapselung möglich (siehe Tabelle). Bei statischem Überdruck muss das Gehäuse hermetisch abgedichtet sein. Ein Druckverlust findet nicht statt. Weiter verbreitet sind jedoch Methoden, bei denen der Überdruck durch den Ausgleich der Leckverluste oder ständiger Spülung gehalten wird. Der Überdruck wird meist durch einfache Druckluft erzeugt. Die Zündschutzart Ex p erfordert eine Überwachungseinheit, die die elektrischen Betriebsmittel im Inneren des Gehäuses sicher abschaltet, sobald nicht mehr ausreichend Überdruck vorhanden ist. Dabei muss die Überwachungseinheit in einer anderen Zündschutzart ausgeführt sein, damit diese auch ohne Überdruck betrieben werden kann. Im Inneren können Betriebsmittel ohne Berücksichtigung des Explosionsschutzes betrieben werden. Die Oberflächentemperatur der Betriebsmittel darf nach dem Abfall des Überdrucks die eindringende explosionsfähige Atmosphäre nicht entzünden. Ist es aus betrieblichen Gründen erforderlich, dass ein Gerät oder eine Komponente im Inneren des Gehäuses nicht abgeschaltet werden darf, muss es in einer anderen Zündschutzart explosionsgeschützt sein. Möglichkeiten der Überdruckkapselung Überdruckkapselung Statisch Ausgleich der Leckverluste Ständige Durchspülung Druckluft Ohne Ausgleich der Leckverluste Ständiges Nachführen Nachführen Betriebszustände --- Vorspülphase: Das Gehäuse wird gespült und möglicherweise vorhandene explosionsfähige Atmosphäre wird aus dem Gehäuse entfernt. Betriebsphase: Der Überdruck im Gehäuse wird überwacht. Falls dieser abfällt, werden die elektrischen Betriebsmittel im Gehäuseinneren abgeschaltet 24 PHOENIX CONTACT

25 1.4 Kennzeichnung von Ex-Produkten Kennzeichnung für elektrische Betriebsmittel Kennzeichnung nach ATEX-Richtlinie Kennzeichnung nach EN :2009 EG-Baumusterprüfbescheinigung Aktuelles Herstellerjahr Explosionsgeschützt Konformitätsbewertung nach 94/9/EG (ATEX) Elektrisches Betriebsmittel Elektrisches Betriebsmittel Geräteschutzniveau, EPL (Ga, Gb, Gc, Da, Db, Dc) c 10 X II 1 G 0344 Atmosphäre (G=Gas, D=Staub) Ex ia IIC T6 Ga Temperaturklasse (für direkt im Ex- Bereich eingesetzte Betriebsmittel) (T1 T6) TÜV 01 ATEX 1750 Nummer der Bescheinigung Gerätekategorie (1, 2, 3) Gerätegruppe (I, II) Benannte Stelle Fertigungsüberwachung (z. B. KEMA) Gasgruppe (IIA, IIB, IIC) oder Staubgruppe (IIIA, IIIB, IIIC) Zündschutzart (ia, ib, ic, e, d ) Baumustergeprüft nach 94/9/EG (ATEX) Jahr der EG- Baumusterprüfbescheinigung Benannte Stelle (Notified Body) PHOENIX CONTACT 25

26 Zusammenhang von Kategorien, EPL und Zonen Der Equipment Protection Level (EPL) wird in der Norm EN :2009 neu eingeführt und gibt das Geräteschutzniveau des Geräts oder der Komponente an. Das Geräteschutzniveau ist in Analogie zu den Kategorien der ATEX-Richtlinie zu sehen. Somit ist jetzt auch über die Kennzeichnung nach Zündschutzart eine einfachere Zuordnung der Geräte zu den Zonen möglich. Gerätekategorie nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG Geräteschutzniveau EPL (Equipment Protection Level) Zone Art der Gefahr Gas 1G Ga 0 Ständig, lange Zeiträume, häufig 2G Gb 1 Gelegentlich 3G Gc 2 Normalerweise nicht, nur kurzfristig Staub 1D Da 20 Ständig, lange Zeiträume, häufig Bergbau 2D Db 21 Gelegentlich 3D Dc 22 Normalerweise nicht, nur kurzfristig M1 Ma Ständig, lange Zeiträume, häufig M2 Mb Gelegentlich Kennzeichnung nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG Beispiele für Kennzeichnung nach ATEX Richtlinie 94/9/EG und nach EN Gas - Ex Nummer EG-Baumusterprüfbescheinigung/Konformitätsaussage U: Komponente, X: besondere Einbaubedingungen Kennzeichnung nach ATEX nach Norm EN :2006 nach Norm EN :2009 nach Norm EN :2009 Alternative Elektrisches Betriebsmittel Zugehöriges Betriebsmittel X IBExU 09 ATEX 1030 CE II 3 G Ex na II T4 Ex na IIC T4 Gc Ex nac IIC T4 X BVS 08 ATEX E 094 X CE 0344 II (1) G [Ex ia] IIC [Ex ia Ga] IIC [Ex ia] IIC X Komponente KEMA 07 ATEX 0193 U 0344 II 2 G Ex e II Ex e IIC Gb Ex eb IIC Beispiele für Kennzeichnung nach EN bzw. EN Staub - Ex Nummer EG-Baumusterprüfbescheinigung/Konformitätsaussage U: Komponente, X: besondere Einbaubedingungen Kennzeichnung nach Norm EN 61241:2006 nach Norm EN :2009 nach Norm EN :2009 Alternative Elektrisches Betriebsmittel PTB 00 ATEX 0000 X Ex td A21 IP 65 T80 C Ex tb IIIC T80 C Db Ex tb IIIC T80 C Zugehöriges Betriebsmittel TÜV 00 ATEX 0000 [Ex iad] [Ex ia Da] IIIC [Ex ia] IIIC 26 PHOENIX CONTACT In Europa setzt sich die Kennzeichnung von Betriebsmitteln, Komponenten und Schutzsystemen aus der Richtlinien- und der Normenkennzeichnung zusammen.

27 Kennzeichnung nach IECEx Beispiele für Kennzeichnung mit IECEx-Zertifikatsnummer und nach IEC Gas - Ex Nummer des IECEx Certificate of Conformity U: Komponente X: besondere Einbaubedingungen Kennzeichnung nach Norm IEC :2004 nach Norm IEC :2007 nach Norm IEC :2007 Alternative Elektrisches Betriebsmittel IECEx IBE X Ex na II T4 Ex na IIC T4 Gc Ex nac IIC T4 Zugehöriges Betriebsmittel IECEx BVS X [Ex ia] IIC [Ex ia Ga] IIC [Ex ia] IIC Komponente IECEx KEM U Ex e II Ex e IIC Gb Ex eb IIC Beispiele für Kennzeichnung nach IEC bzw Staub - Ex Nummer des IECEx Certificate of Conformity U: Komponente X: besondere Einbaubedingungen Kennzeichnung nach Norm IEC :2005 nach Norm IEC :2007 nach Norm IEC :2007 Alternative Elektrisches Betriebsmittel IECEx IBE X Ex td A21 IP 65 T80 C Ex t IIIC T80 C Db Ex tb IIIC T80 C Zugehöriges Betriebsmittel IECEx BVS X [Ex iad] [Ex ia Da] IIIC [Ex ia] IIIC Beim IECEx-System ergibt sich die Kennzeichnung nur aus den Anforderungen der IEC-Normen. Kennzeichnung in den USA Kennzeichnungsbeispiel für ein zugehöriges elektrisches Betriebsmittel Einstufung des Betriebsmittels Zulassungsstelle in USA: hier UL 1M68 c für Kanada; us für USA Listed CD-No: Controldrawing-No. (Kontrolldokument) Suitable for Class I, Div. 2, Groups A, B, C and D installation; Kann in Div 2* eingesetzt werden für Class I: Gase A: Acetylen B: Wasserstoff C: Ethylen D: Propan providing intrinsically safe circuits for use in Class I, Div. 1, Groups A, B, C and D; Gase Class II, Div. 1, Groups E, F and G; and Class III, Hazardous Locations Stäube Fasern geeignet für Stromkreise in Div 1* * nach NEC 500 PHOENIX CONTACT 27

28 2 Errichten von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen Die Errichtung von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen erfordert ein besonderes Maß an Vorkehrungen. Bei der Auswahl der Betriebsmittel, Kabel und Leitungen und der Konstruktion sind besondere Anforderungen zu beachten. Aufgaben des Arbeitgebers oder Betreiber: Teilt Bereiche, in denen explosionsfähige Atmosphären vorhanden sein können, in Zonen ein Stellt sicher, dass die Mindestvorschriften angewendet werden Kennzeichnet die Zugänge zu explosionsgefährdeten Bereichen Auszug aus RL 1999/92/EG: (1) Artikel 137 des Vertrags sieht vor, dass der Rat durch Richtlinien Mindestvorschriften erlassen kann, die die Verbesserung insbesondere der Arbeitsumwelt fördern, um die Sicherheit und die Gesundheit der Arbeitnehmer verstärkt zu schützen. (7) In der Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. März 1994 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (5) ist festgelegt, dass eine ergänzende Richtlinie nach Artikel 137 des Vertrags vorgesehen ist, die sich insbesondere mit der Gefahr durch Explosionen aufgrund der Verwendung und/oder der Art und Weise der Installation der Geräte befasst. 28 PHOENIX CONTACT

29 Risikoanalyse Der Betreiber einer Anlage hat eine genaue Beurteilung durchzuführen. Grundlage dafür sind z. B. die Normen EN , EN und EN (siehe auch Normenübersicht auf Seite 12). Aufgrund dieser Beurteilung werden die Zonen festgelegt und die zulässigen Betriebsmittel ausgewählt. Jede Anlage ist auf ihre Besonderheiten hin zu untersuchen. Sollte es dennoch zur Explosion kommen, ist bereits im Vorfeld das mögliche Gefahrenszenario zu betrachten: Können z. B. Kettenreaktionen eintreten, wie sind die Gebäudeschäden und welche Auswirkung hat die Explosion auf weitere Anlagenteile? Es kann sein, dass Wechselwirkungen mit benachbarten Anlagen auftreten, die bei der einzelnen Anlage allein nicht vorkommen können. Die Risikobeurteilung erfolgt in der Regel in einem Team, welches alle relevanten Aspekte der Anlage abdeckt. Im Zweifelsfall empfiehlt es sich, weitere Experten zu Rate zu ziehen. Die Risikobeurteilung ist die Grundlage aller weiteren Maßnahmen bis hin zum Betrieb der Anlage. Im Explosionsschutzdokument sind diese Beurteilungen festzuhalten. Der Leitfaden nach Artikel 11 der Richtlinie 1999/92/EG enthält folgende methodische Vorgehensweisen (anlehnende Darstellung): Beurteilungsverlauf zur Erkennung und Verhinderung von Explosionsgefahren: 1 Sind brennbare Stoffe vorhanden? Kann durch ausreichende Verteilung in Luft eine explosionsfähige Atmosphäre entstehen? 2 Ja 3 Ja Ist die Bildung einer sog. gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre 4 möglich? Ja Weitere Maßnahmen erforderlich! 5 Ist die Bildung von gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären zuverlässig verhindert? 6 Nein Weitere Maßnahmen erforderlich! 7 8 Wo kann explosionsfähige Atmosphäre auftreten? Verhinderung von Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphären. (Primärer Explosionsschutz) In welche Zonen lassen sich die Bereiche mit gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären einteilen? Vermeiden von wirksamen Zündquellen in Bereichen mit gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären. (Sekundärer Explosionsschutz) Ist die Entzündung von gefährlichen explosionsfähigen Atmosphären 9 zuverlässig vermieden? Nein Weitere Maßnahmen erforderlich! 10 Begrenzung der Auswirkungen einer Explosion durch konstruktive und organisatorische Maßnahmen. (Tertiärer Explosionsschutz) Nein Nein Nein Ja Ja Keine Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich. Keine Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich. Keine Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich. Keine weiteren Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich. Keine weiteren Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich. Explosionsschutzdokument Die Dokumentation ist wesentlich für den sicheren Betrieb der Anlage im explosionsgefährdeten Bereich. Sie wird vor dem Errichten erstellt und ist immer auf dem aktuellen Stand zu halten. Bei Veränderungen an der Anlage müssen alle beschriebenen Einflussgrößen berücksichtigt werden. Beispiel für Aufbau der Dokumentation Verantwortlicher für das Objekt Namentlich benannt Beschreibung der baulichen und Lageplan, Gebäudeplan, Be- und Entlüftung geo grafischen Gegebenheiten Verfahrensbeschreibung Beschreibung der Anlage bezogen auf Explosionsschutz Stoffdaten Auflistung der Daten mit explosionsrelevanten Kennwerten Risikobeurteilung Siehe Leitfaden oben Schutzkonzepte Zoneneinteilung, angewendete Zündschutzarten Organisatorische Maßnahmen Unterweisung, schriftliche An weisungen, Arbeitsfreigaben PHOENIX CONTACT 29

30 2.1 Installation eigensicherer Stromkreise Auslegung von eigensicheren Stromkreisen Installation in Zündschutzart Eigensicherheit Der gesamte eigensichere Stromkreis muss gegen das Eindringen von Energie aus anderen Quellen, elektrischen oder magnetischen Feldern geschützt sein. Verantwortlich für den Nachweis der Eigensicherheit ist der Errichter oder Betreiber, nicht der Hersteller. Einfache eigensichere Stromkreise Einfache eigensichere Stromkreise enthalten nur eine Energiequelle. Zur Planung und Installation empfiehlt es sich, die Betriebsanleitungen und die EG-Baumusterprüfbescheinigung (bzw. die Zertifikate) der eingesetzten Betriebsmittel bereitzuhalten. Diesen werden die notwendigen Parameter entnommen. Im ersten Schritt werden die Kriterien entsprechend der folgenden Tabelle geprüft. Überprüfung des Einsatzes im explosionsgefährdeten Bereich Kriterien Gerätegruppe, Einsatzbereich Elektrische Betriebsmittel II, G, D Als nächster Schritt werden die elektrischen Daten des eigensicheren Stromkreises (Spannung, Strom, Leistung, Kapazität und Induktivität) gemäß der folgenden Abbildung überprüft. Im eigensicheren Stromkreis sind alle auftretenden Kapazitäten und Induktivitäten zu berücksichtigen und mit der Kapazität Co und Induktivität Lo des zugehörigen Betriebsmittels zu vergleichen. In der Praxis ist besonders Zugehörige elektrische Betriebsmittel II, G, D Kategorie 1, 2, 3 (1), (2), (3) Gruppe IIA, IIB, IIC, IIIA, IIIB, IIIC IIA, IIB, IIC, IIIA, IIIB, IIIC Zone 0, 1, 2, 20, 21, 22 0, 1, 2, 20, 21, 22 Zündschutzart Ex ia, Ex ib [Ex ia], [Ex ib] Temperaturklasse T1 T6 -- auf die Kapazität zu achten, da durch diese Kabel oder Leitungen in der Länge erheblich eingeschränkt werden. Als Richtwerte können die Kapazität Cc mit ca nf/km und die Induktivität Lc mit ca. 0,8 1 mh/km angenommen werden. Im Zweifel ist immer vom Worst Case auszugehen. Dimensionierung eigensicherer Stromkreise mit einem zugehörigen Betriebsmittel Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich SPS 4 20mA Gebräuchliche Bezeichnungen Europa USA Für eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät): Max. Eingangsspannung Max. Eingangsleistung Max. innere Kapazität Max. innere Induktivität Für zugehörige Betriebsmittel: Max. Ausgangsspannung Max. Ausgangsleistung Max. äußere Kapazität Max. äußere Induktivität Für Kabel/Leitung: Kabel-/Leitungskapazität Kabel-/Leitungsinduktivität Ui Ii Ci Li Uo Io Co Lo Cc Lc Vmax Imax Ci Li Voc Isc Ca La Ccable Lcable 30 PHOENIX CONTACT

31 Eigensichere Stromkreise mit mehr als einer Energiequelle Die beschriebene Dimensionierung eines eigensicheren Stromkreises ist aber nur dann zulässig, wenn maximal ein konzentrierter Energiespeicher Ci oder Li im Stromkreis vorhanden ist. Beim Auftreten von mehreren konzentrierten Energiespeicher Ci und Li ist die maximal zulässige Kapazität Co und Induktivität Lo vor dem Vergleich mit Ci + Cc und Li + Lc zu halbieren. Ci bzw. Li sind als konzentrierter Energiespeicher zu sehen, wenn ihr jeweiliger Wert 1 % der maximal zulässigen äußeren Kapazität Co bzw. Induktivität Lo überschreitet. Die Kabel-/Leitungskapazität Cc bzw. die Kabel-/Leitungsinduktivität Lc gelten nicht als konzentrierte Kapazitäten bzw. konzentrierte Induktivitäten. Für den Einsatz in Zone 0 ist die Zu sammenschaltung von mehreren zugehörigen elektrischen Betriebsmitteln nicht zulässig. Besteht der eigensichere Stromkreis für Anwendungen in Zone 1 und Zone 2 aus mehr als einem zugehörigen Betriebsmittel, muss durch theoretische Berechnungen oder Prüfungen mit dem Funkenprüfgerät (entsprechend EN ) ein Nachweis erfolgen. Dabei ist zu beachten, ob eine Stromaddition vorliegt. Daher wird die Beurteilung durch einen Sachverständigen empfohlen. Für die Zusammenschaltung mehrerer eigensicherer Stromkreise mit linearen Strom-Spannungskennlinien werden im Anhang A und B der EN Beispiele aufgeführt. Bei der Zusammenschaltung zugehöriger Betriebsmittel mit nichtlinearen Kennlinien führt die Bewertung anhand der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstroms nicht zum Ergebnis. Die Berechnungen kann aber auf Grundlage des PTB-Berichts PTB-ThEx-10 Zusammenschaltung nichtlinearer und linearer eigensicherer Stromkreise durchgeführt werden. Dieser ist in die EN (Eigensichere Systeme) einbezogen worden. Zulässige Leiterquerschnitte für Erdverbindung Anzahl der Leiter Leiterquerschnitt* Bedingung Mind. 2 getrennte Leiter Mind. 1,5 mm 2 Jeder einzelne Leiter kann den größtmöglichen Strom führen Ein Leiter Mind. 4 mm 2 * Leiter aus Kupfer Hier werden grafische Methoden zur Beurteilung der Eigensicherheit bis in die Zone 1 beschrieben. Erdung in eigensicheren Stromkreisen Bei der Erdung eigensicherer Stromkreise kann es zu Potenzialdifferenzen kommen. Diese müssen in der Betrachtung der Stromkreise berücksichtigt werden. Eigensichere Stromkreise dürfen gegen Erde isoliert sein. Die Gefahr der elektrostatischen Aufladung ist zu beachten. Die Verbindung über einen Widerstand R = 0,2 1 MΩ zur Ableitung elektro statischer Aufladung gilt nicht als Erdverbindung. Ein eigensicherer Stromkreis darf an das Potenzialausgleichssystem angeschlossen sein, wenn dies nur an einer Stelle innerhalb eines eigensicheren Stromkreises geschieht. Wenn ein eigensicherer Stromkreis aus mehreren galvanisch getrennten Teilstromkreisen besteht, kann jeder Teil einmal mit Erde verbunden werden. Ist eine funktionsbedingte Erdung für einen in Zone 0 befindlichen Sensor/ Aktor notwendig, so ist diese unmittelbar außerhalb der Zone 0 zu realisieren. Anlagen mit Zenerbarrieren müssen an diesen geerdet sein. Gegebenenfalls ist sogar ein mechanischer Schutz gegen Beschädigung vorzusehen. Diese Stromkreise dürfen nicht an einer weiteren Stelle geerdet werden. Alle elektrischen Betriebsmittel, die die Spannungsprüfung mit mindestens 500 V gegen Erde nicht bestehen, gelten als geerdet. Bei der galvanischen Trennung von Versorgungs- und Signalstromkreisen müssen die Fehler sowie transiente Ströme in Potenzialausgleichsleitungen berücksichtigt werden. Wartung und Instandhaltung Eine Wartung der eigensicheren Stromkreise ist ohne besondere Genehmigung (z. B.: Feuerschein) möglich. Die Leitungen der eigensicheren Stromkreise können kurzgeschlossen oder unterbrochen werden, ohne die Zündschutzart zu gefährden. Es dürfen eigensichere Betriebsmittel ausgebaut (bzw. Steckmodule gezogen) werden, ohne dass die Anlage spannungsfrei geschaltet werden muss. In eigensicheren Stromkreisen treten üblicherweise keine berührgefährlichen Ströme und Spannungen auf, sodass sie für Personen sicher sind. Das Messen von eigensicheren Stromkreisen erfordert zugelassene eigensichere Messgeräte. Werden die Daten dieser Messgeräte nicht berücksichtigt, kann zusätzliche Energie in den eigensicheren Stromkreis gelangen. Die zulässigen Höchstwerte werden ggf. überschritten und die Anforderungen an die Eigensicherheit nicht mehr erfüllt. Gleiches gilt für alle Prüfgeräte, die eingesetzt werden sollen. PHOENIX CONTACT 31

32 Bei der Installation von Kabeln oder Leitungen sollen diese gegen mechanische Beschädigungen, Korrosion, chemische und thermische Einwirkungen geschützt sein. In der Zündschutzart Eigensicherheit ist dies verbindlich gefordert. In Schächten, Kanälen, Rohren und Gräben muss das Ansammeln von explosionsfähiger Atmosphäre verhindert werden. Ebenso dürfen sich brennbare Gase, Dämpfe, Flüssigkeiten oder Stäube nicht darüber ausbreiten können. Innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs sollen Kabel oder Leitungen möglichst unterbrechungsfrei geführt werden. Ist dies nicht realisierbar, so dürfen die Kabel oder Leitungen nur in einem Gehäuse, das in einer für die Zone zugelassenen Schutzart ausgeführt ist, verbunden werden. Muss aus Gründen der Installation davon abgewichen werden, so sind die Bedingungen aus der Norm EN einzuhalten. Bei eigensicheren Stromkreisen, auch außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs, gilt ferner: Schutz gegen das Eindringen äußerer Energie. Schutz gegen äußere elektrische oder magnetische Felder. Mögliche Ursache: Hochspannungsfreileitung oder einphasige Hochspannungsleitungen. Aderleitungen von eigensicheren und nichteigensicheren Stromkreisen dürfen nicht in derselben Leitung Kabel oder Leitungen für die Zone 1 und 2 Kabel/Leitung Ortsfeste Betriebsmittel Ortsveränderliche, transpor table Betriebsmittel Flexible Kabel und Leitungen Anforderung Mantel Außenmantel Mindestquerschnittsfläche Ausführung geführt werden. In mehradrigen Kabeln oder Leitungen dürfen mehrere eigensichere Stromkreise geführt werden. Bei bewehrten, metallummantelten oder geschirmten Kabeln/Leitungen können eigensichere und nichteigensichere Stromkreise in ein und demselben Kabelkanal verlegt werden. Im Schaltschrank sollen die eigensicheren Stromkreise eindeutig gekennzeichnet sein. Die Norm schreibt kein einheitliches Verfahren vor, weist lediglich darauf hin, dass die Kennzeichnung bevorzugt durch eine hellblaue Farbe erfolgen soll. Meist werden die Neutralleiter von Thermoplast, Duroplast, Elastomer oder metallisoliert mit Metallmantel Schweres Polychloropren, synthetisches Elastomer, schwere Gummischlauchleitung oder vergleichbarer robuster Aufbau 1,0 mm 2 Leichte Gummischlauchleitung ohne/mit Polychloroprenummantelung Schwere Gummischlauchleitung ohne/mit Polychloroprenummantelung Kunststoffisolierte Leitung, vergleichbar schwere Gummischlauchleitung Energiekabeln auch mit blauer Farbe gekennzeichnet. Dann sollte eine andere Kennzeichnung von eigensicheren Stromkreisen verwendet werden, um eine Verwechslung auszuschließen. Von Vorteil ist die übersichtliche Anordnung und räumliche Trennung im Schaltschrank. Die Erdung leitender Schirme darf nur an einer Stelle erfolgen, die sich üblicherweise im nichtexplosionsgefährdeten Bereich befindet. Siehe hierzu auch den Abschnitt Erdung in eigensicheren Stromkreisen (Seite 31) und die Tabelle Seite 33. Auswahlkriterien für Kabel/Leitungen bei Zündschutzart Eigensicherheit Kriterium Bedingung Anmerkung Isolierte Kabel/Leitungen Durchmesser einzelner Leiter Feindrahtige Leitungen Mehradrige Kabel/ Leitungen Kenndaten Prüfspannung 0,1mm Gegen Aufspleißen schützen Zulässig (Cc und Lc) oder (Cc und Lc/Rc) 500 V AC 750 V DC Leiter-Erde, Leiter-Schirm und Schirm-Erde Auch bei feindrahtigen Leitern Z. B. durch Aderendhülsen Bedingungen der Fehlerbetrachtung berücksichtigen aus EN Im Zweifel: Worst Case Abstand zwischen nicht-ex i und Ex i Eigensichere Stromkreise Hellblaues Kabel in Ex-Zone Stromkreise zur SPS im sicheren Bereich 32 PHOENIX CONTACT

33 Sonderfälle zur Erdung leitender Schirme in eigensicheren Stromkreisen a Grund Schirm hat hohen Widerstand, zusätzliche Abschirmung gegen induktive Störeinflüsse Bedingungen Robuster Erdleiter (mind. 4 mm 2 ), isolierter Erdleiter und Schirm: Isolationsprüfung 500 V, beide an einem Punkt geerdet, Erdleiter erfüllt die Anforderungen der Eigensicherheit und wird beim Nachweis berücksichtigt. b Potenzialausgleich zwischen beiden Enden Es ist im höchsten Maß sichergestellt, dass ein Potenzialausgleich über den gesamten Bereich besteht, in dem der eigensichere Stromkreis installiert ist. c Mehrfacherdung über kleine Kondensatoren Gesamtkapazität nicht über 10 nf. Abstände an Anschlussklemmen Zwischen verschiedenen eigensicheren Stromkreisen Die Luftstrecken zwischen Klemmen verschiedener eigensicherer Stromkreise müssen mindestens 6 mm betragen. Die Luftstrecken zwischen den leitenden Teilen der Anschlussklemmen und leitenden Teilen, die geerdet sein können, müssen mindestens 3 mm betragen. Eigensichere Stromkreise müssen deutlich gekennzeichnet sein. Zwischen eigensicheren und anderen Stromkreisen Der Abstand an Reihenklemmen zwischen den leitenden Teilen von eigensicheren Stromkreisen und den leitenden Teilen von nichteigensicheren Stromkreisen muss mindestens 50 mm betragen. Der Abstand kann auch durch eine Trennplatte aus Isolierstoff oder durch eine geerdete Metallplatte hergestellt werden. Kabel oder Leiter von eigensicheren Stromkreisen dürfen selbst dann, wenn sie sich an der Reihenklemme lösen sollten, nicht mit einem nichteigensicheren Stromkreis in Kontakt kommen. Bei der Installation sind die Kabel oder Leiter entsprechend einzukürzen. Spezielle Anforderungen in Zone 0, Europa Die Norm EN Spezielle Anforderungen an Konstruktion, Prüfung und Kennzeichnung elektrischer Betriebsmittel für Gerätegruppe II, Kategorie 1G ergänzt die EN Reihe. Hier werden weitere Anforderungen beschrieben, um Betriebsmittel auch in anderen Zündschutzarten als Eigensicherheit in der Zone 0 einzusetzen. Abstände nach EN 60079, Abschnitt bzw. Bild 1 PHOENIX CONTACT 33

34 2.2 Überspannungsschutz im Ex-Bereich Überspannungsschutz eigensicherer Stromkreise IN 1 2 Schirm Brücke GDT 2 GDT 1 Schutzbeschaltung des SPD S-PT-EX(I)-24DC Überspannungsschutzgerät PLUGTRAB PT 2xEX(I) Überspannungen, oft verursacht durch Schalthandlungen, Sicherungsauslösungen, Frequenzumformern oder Blitzeinwirkungen, sind ein wichtiges Thema, wenn es um den Funktionserhalt und die Verfügbarkeit von elektrischen Anlagen geht. Bei diesen Störgrößen handelt es sich um zeitlich schnell veränderliche Störimpulse (Transienten), die in wenigen Mikrosekunden Amplituden von mehreren Kilovolt erreichen. Kommt es zu Überspannung entstehen gefährliche Potenzialdifferenzen, die u. a. Fehlsteuerungen, kurzzeitige Funktionsunterbrechungen oder im ungünstigsten Fall auch Zerstörungen zur Folge haben. Nur der konsequente Einsatz von Überspannungsschutzableitern (kurz SPD, Surge Protective Device) an den zu schützenden Geräten sorgt für eine Begrenzung der hervorgerufenen Potenzialdifferenzen auf ungefährliche Werte. SPDs, die in Ex-Zonen eingesetzt werden, müssen den Anforderungen der DIN EN genügen. Hierin ist gefordert, dass mindestens 10 Impulse der Impulsform 8/20 µs mit einem Mindestableit-Stoßstrom von 10 ka sicher beherrscht werden müssen, wenn gefährliche Potenzialdifferenzen in die EX-Zone 0 eingekoppelt werden können. Diese Anforderung (s. Schaltbild) wird durch die Nutzung von Gasentladungsableitern (GDT) erreicht (s. Schaltbild). Die geforderte Isolationsfestigkeit von 500 V gegen Erde nach DIN EN wird durch den speziell bemessenen GDT 2 erreicht. Betriebsmittel besitzen meist eine Isolationsfestigkeit von 1,5 kv gegen Erde, die Spannungs festigkeit zwischen den Adern beträgt oft nur ein paar hundert Volt oder weniger. Während zur Aufrechterhaltung der Isolationsfestigkeit bei Transienten ein GDT ausreicht, müssen zusätzliche Suppressordioden für die Spannungsfestigkeit zwischen den Adern UG ΔU US Entkopplungswiderstand GDT = Gasentladungsableiter Suppressordiode OUT ÜSG SURGETRAB (Durchgangs- oder Parallelverdrahtung S-PT-EX(I)-24DC S-PT-EX-24DC (Kennzeichnung nach ATEX) sorgen. Diese Halbleiter-Bauelemente zeichnen sich durch ein sehr schnelles Ansprechen bei Transienten und einer engen Spannungsbegrenzung aus ihr Ableitvermögen beträgt aber nur ein paar hundert Ampere. Mehrstufig aufgebaute SPDs, wie der SURGETRAB, sind daher zu empfehlen. Im Falle einer Transiente begrenzt die Suppressordiode so lange, bis die Summe aus Restspannung der Suppressordiode US und dem Spannungsabfall an den Entkopplungswiderständen U, der Ansprechspannung des GDT 1 UG entspricht (Kirchhoffsche Regel). Während die Supressordiode zwischen den Adern für ein schnelles Ansprechen bei gleichzeitig niedrigen Schutzpegel sorgt, wird mit dem GDT ein hohes Ableitvermögen von 10 ka erreicht. In der Praxis ist es von Vorteil, direkt am Einbauort zu entscheiden, ob der Schirm direkt oder indirekt über einen GDT mit der Erde kontaktiert werden soll. Dies kann mit dem SURGETRAB, durch das Heraustrennen einer vorinstallierten Brücke, am GDT 3 erfolgen (vgl. Schaltbild). 34 PHOENIX CONTACT

35 OUT Beispiel Hochtanklager Eine Füllstandsmessung an einem Tank ist oftmals über lange Leitungswege von z. B. 100 m mit der Messwarte verbunden. Im Inneren des Tanks liegt aufgrund der dauerhaft vorhandenen explosionsfähigen Atmosphäre die Ex-Zone 0 vor. Die Messwerte werden aufgrund der Unempfindlichkeit gegen äußere Einkopplungen als Strom signal (4 bis 20 ma) an die Messwarte übertragen. Um die unzulässig hohen Potenzialdifferenzen der Erdungsanlage zu vermeiden, wird zunächst ein Potenzialausgleich zwischen Messwarte und den Hochtanks errichtet. Für das hier gezeigte Fallbeispiel wird ein Blitzeinschlag von 30 ka mit einem 10/350 µs Impuls* angenommen. Während eine Hälfte des Stroms über die Erde abfließt, gelangt die andere unmittelbar in die Anlage. Somit wird angenommen, dass 15 ka über die Potenzialausgleichsleitung zur Messwarte hin fließen. Bei einem Kupferquerschnitt der Potenzialausgleichsleitung von 95 mm 2 ergibt sich die nachfolgende Berechnung für den ohmschen Spannungsfall zwischen Messwarte und Hochtank: Û R = î B I R CU mit R CU = und 2 A =17,3 mω mm2 m Û R = 30 ka mω mm2 17,3 100 m 2 m 95 mm 2 Û R = 273 V Ui = 30 V Ii = 200 ma Pi = 1 W Ci1 = 0 nf Li1 = 20 nh Ci = 30V Ii = 200 ma Pi = 1 W Ci1 = 0 nf Li1 = 20 nh IN 100 m // Nachweis der Eigensicherheit 1. Uo Ui Io Ii Co Ci 2. Ci1 + Ci2 + CLeitung + Ci3 Co 3. Lo1 + Li2 + LLeitung + Li3 Lo // R CU R CU L L // CLeitung = 20 nf LLeitung = 100 μf 100 m // S-PT-EX-24 DC Ci2 = 1,65 nf Li2 = 1 μh Ui = 36 V Ii = 350 ma Pi = 3 W // CLeitung = 20 nf LLeitung = 100 μf Füllstandsmessung: Schutz durch SURGETRAB S-PT-EX-24DC in Parallelverdrahtung und PLUGTRAB PT-2xEX(I)-24DC Die Kombination aus Potenzialausgleichsleitungen und der normativen geforderten Isolationsfestigkeit von 500 V scheint auf den ersten Blick einen ausreichenden Schutz vor Blitzteilströmen in eigensicheren Systemen zu bieten. Die Leitung besitzt neben einem Widerstandsbelag jedoch auch einen Induktivitätsbelag L. Für einen runden Kupferleiter wird in der Praxis ein querschnittsunabhängiger Induktivitätsbelag von L 1 µh/m angenommen. Fließt der zuvor definierte Blitzstrom in Höhe von 15 ka der Impulsform 10/350 µs entlang des Potenzialausgleichleiters in Richtung Messwarte, wird nach dem Induktionsgesetz ein induktiver Spannungsfall in Höhe von 150 kv generiert: U L (t) = - L di B(Teil) dt Û L (t) - L I S-PT-EX(I)-24 DC Ci2 = 2 nf Li2 = 1 μh Ui = 30 V Ii = 350 ma Pi = 3 W Füllstandsmessung: Schutz durch SURGETRAB S-PT-EX(I)-24DC in Durchgangsverdrahtung und PLUGTRAB PT-2xEX(I)-24DC Δi B(Teil) Δt Û L -1 μh 100 m m Û L -150 kv Nachweis der Eigensicherheit 1. Uo Ui Io Ii Po Pi 2. Ci1 + Ci2 + CLeitung + Ci3 Co 3. Li1 + Li2 + LLeitung + Li3 Lo 15 ka 10 μs Eigensichere Stromkreise, die zwischen Hochtank und Messwarte verlaufen, werden somit zerstört. Nur durch den konsequenten Einsatz von Überspannungsschutzgeräten kann dieser Effekt vermieden werden. // IN IN OUT OUT IN 4 20 ma PT 2x EX(I)-24DC Ci3 = 1,3 nf Li3 = 1 μh Ui = 30 V Ii = 325 ma Pi = 3 W IN 4 20 ma PT 2x EX(I)-24DC Ci3 = 1,3 nf Li3 = 1 μh Ui = 30 V Ii = 325 ma Pi = 3 W OUT MACX Analog Ex RPSSI/I Uo = 28 V Io = 93 ma Po = 650 mw Co = 83 nf Lo = 4,3 mh OUT SPS SPS MACX MCR-EX-SL- RPSSI-I-UP Uo = 28V Io = 93 ma Po = 650 mw Co = 83 nf Lo = 4,3 mh Der Installationsort eines SPD (Surge Protection Device) sollte sich dabei so nah wie praktisch möglich an der Einführung in die Zone 0 befinden. Der Abstand von 1 m sollte nicht überschritten werden. Die Leitungen zwischen dem Messwertaufnehmer und dem SPD müssen so ausgeführt sein, dass sie gegen direkte Blitzbeeinflussung geschützt sind. Eine Leitungsverlegung in einem Metallinstallationsrohr ist hier eine Möglichkeit. Für den Überspannungsschutz von Sensorköpfen sind SPDs empfehlenswert, wie der speziell für diese Anwendung entwickelte SURGETRAB. Er wird direkt in den Leitungszug eingebunden und in den zu schützenden Sensorkopf eingeschraubt. * 10/350 µs = Impulsanstiegszeit 10 µs, Rückhalbwertszeit 350 µs. PHOENIX CONTACT 35

36 2.3 Verbindungstechnik Reihenklemmen Reihenklemmen bei erhöhter Sicherheit Ex e Reihenklemmen müssen den Anforderungen für den Anschluss äußerer Leiter entsprechen. Die Grundlage für die Prüfung bilden die Normen für die Erhöhte Sicherheit EN Neben den Typprüfungen der Produktnorm lassen sich die zusätzlichen Anforderungen für die erhöhte Sicherheit wie folgt zusammenfassen: Ausreichend große Luft- und Kriechstrecken temperatur- und alterungsbeständige Isolierstoffe Schutz vor Ausweichen des Leiters während des Anschlusses Gegen Selbstlockern gesichert Anschluss frei von Leiterbeschädigungen Dauerhaft ausreichender Kontaktdruck Kontaktsicherheit bei wechselnden Temperaturen Keine Kontaktdruckübertragung über Isolierstoff Mehrleiteranschluss nur bei geeigneten Klemmstellen Elastisches Zwischenglied bei mehrdrähtigen Leitern ab 4 mm2 Festgelegtes Drehmoment bei Schraubanschlussklemmen Die technischen Daten für Reihenklemmen im Ex-Bereich werden durch die Baumusterprüfung festgelegt und in der Bescheinigung dokumentiert. Die grundlegenden Daten für die Anwendung von Reihenklemmen und Zubehör sind: Bemessungsisolationsspannung Bemessungsspannung anschließbare Leiterquerschnitte Einsatztemperaturbereich Temperaturklasse Reihenklemmen werden als bescheinigte Komponenten im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt. Sie finden Anwendung in Anschlussräumen von Ex-Betriebsmitteln. Damit ist der Einsatz in Zone 1 und 2 bei Gasen bzw. 21 und 22 bei Stäuben erlaubt. Die Anforderungen für den IP-Schutz werden entsprechend der jeweiligen Zündschutzart durch den Anschlussraum erfüllt. Die Bescheinigung von Komponenten dient als Grundlage zur Zertifizierung eines Geräts oder Schutzsystems. Durch die Bescheinigungsnummer (Zusatz U nach europäischer Norm) bzw. dem Zulassungszeichen (z. B. ) wird die Reihenklemme als Komponente ausgewiesen. Für Reihenklemmen der Zündschutzart erhöhte Sicherheit Ex e besteht eine Kennzeichnungspflicht. Am Beispiel der Type QTC 2,5 werden die Elemente der Kennzeichnung beschrieben. 36 PHOENIX CONTACT

37 Typenschild Kennzeichnungsanforderung nach EN/IEC für ATEX und IECEx Name oder Warenzeichen des Herstellers oder Typenbezeichnung QTC 2,5 Kennzeichnung der Zündschutzart EG-Baumusterprüfbescheinigungs nummer nach ATEX Zertifikatsnummer nach IECEx Ex e II KEMA 05 ATEX 2148 U IECEx KEM U Verpackungsetikett Kennzeichnungsanforderung lt. ATEX-Richtlinie 94/9/EG, Anhang II Name und Anschrift des Herstellers D Blomberg Typenbezeichnung QTC 2,5 Herstellungsdatum (Beispiel) Kennnummer. der benannten Stelle (KEMA) 0344 Baumustergeprüft nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG Kategorie 2 X Gerätegruppe II Kennbuchstabe für den Gasexplosionsschutz G Kennbuchstabe für den Staub explosionsschutz D Wichtige Hinweise: Reihenklemmen sind für den Einsatz in der Temperaturklasse T6 vorgesehen. Angaben zu anderen Temperaturklassen sowie dem Einsatztemperaturbereich enthält die EG-Baumusterprüfbescheinigung und die Installationsanweisung. Für die Anwendung der Klemmen ist die Installationsanweisung auch bezüglich der Verwendung von Zubehör zu beachten. Reihenklemme in Ex e Reihenklemme im Ex e-gehäuse PHOENIX CONTACT 37

38 Reihenklemmen bei Eigensicherheit Ex i Bei der Zündschutzart Eigensicherheit werden an Leiteranschlüsse keine besonderen Anforderungen bezüglich gesicherter Schrauben, Lötverbindungen, Steckverbindungen usw. gestellt. Es besteht keine Explosionsgefahr, weil in nachweislich eigensicheren Kreisen Strom, Spannung und Leistungswerte ausreichend gering sind. Reihenklemmen und Steckverbinder gelten in der Eigensicherheit als passive Bauelemente. Daher sind für sie keine speziellen Typprüfungen vorgesehen. Dennoch werden strenge Anforderungen an die Luftstrecken zwischen benachbarten Klemmen und zwischen Klemmen und geerdeten Metallteilen gestellt. Die Luftstrecke zwischen den äußeren Anschlüssen von zwei benachbarten eigensicheren Stromkreisen muss mindestens 6 mm betragen. Die Mindestluftstrecke zwischen nicht isolierten Anschlüssen und geerdeten Metall- oder anderen leitenden Teilen braucht dagegen nur 3 mm zu betragen. Luft- und Kriechstrecken sowie Abstände durch feste Isolierung sind z. B. in der EN , Abschnitt 6.3 und Tabelle 5 festgelegt. Für passive Bauelemente, wie z. B. Reihenklemmen und Steckverbinder, ist keine spezielle Kennzeichnung vorgesehen. Allerdings ist zur deutlichen Kennzeichnung von eigensicheren Stromkreisen eine blaue Einfärbung der Klemmengehäuse üblich. Ex e- und Ex i-reihenklemmen im selben Gehäuse In elektrischen Betriebsmitteln, wie z. B. Klemmenkästen, können sowohl eigensichere (Ex i) als auch Stromkreise der erhöhten Sicherheit (Ex e) kombiniert werden. Eine sichere mechanische und gegebenenfalls auch optische Trennung ist hier vorgeschrieben. Es muss dabei berücksichtigt werden, dass beim Lösen der Verdrahtung von der Reihenklemme einzelne Leiter nicht mit leitenden Teilen der jeweils anderen Stromkreise in Berührung kommen. Der Abstand zwischen den Reihenklemmen muss mindestens 50 mm betragen. Hierbei sind auch die üblichen Verdrahtungsverfahren zu beachten, damit eine Berührung zwischen den Stromkreisen auch dann, wenn sich ein Leiter löst, unwahrscheinlich ist. In Schaltschränken mit einer höheren Verdrahtungsdichte wird diese Trennung durch entweder isolierende oder geerdete metallische Trennwände erreicht. Auch hierbei muss der Abstand zwischen eigensicheren und nicht eigensicheren Stromkreisen 50 mm betragen. Gemessen wird dabei in alle Richtungen um die Trennwand. Der Abstand darf geringer sein, wenn die Trennwände bis mindestens 1,5 mm an die Gehäusewand heranreichen. Metallische Trennwände müssen geerdet sein und eine genügende Festigkeit und Steifigkeit besitzen. Sie müssen mindestens 0,45 mm dick sein. Nichtmetallische isolierende Trennwände müssen mindestens 0,9 mm dick sein. Die Ex e-stromkreise müssen im Gehäuse zusätzlich durch eine Ab deckung (mindestens IP30) geschützt sein, wenn während des Betriebs der Deckel geöffnet werden darf. Ansonsten ist das Öffnen nur zulässig, wenn die Ex e-stromkreise abgeschaltet sind. Entsprechende Warnschilder sind anzubringen. Luftstrecke durch Trennplatte zwischen eigensicheren und anderen Stromkreisen Auch bei mehreren Tragschienen müssen Luftstrecken zu eigensicheren und anderen Stromkreisen eingehalten werden Blaue Einfärbung der Klemmengehäuse für eigensichere Stromkreise Trennplatte zwischen Tragschiene, um Luftstrecke zu gewährleisten 38 PHOENIX CONTACT

39 2.4 Gehäuseeinführungen Kabel- oder Leitungseinführung und Conduit System Weltweit finden zwei Installationstechniken Anwendung: In Europa sind Kabel- oder Leitungseinführungen in den Zündschutzarten druckfeste Kapselung oder erhöhte Sicherheit am weitesten verbreitet. In den USA und Kanada wird traditionell das Rohrleitungssystem (Conduit System) eingesetzt. Kabel- oder Leitungseinführung Die Kabel- oder Leitungseinführungen sind am häufigsten in den Zündschutzarten druckfeste Kapselung Ex d oder erhöhter Sicherheit Ex e ausgeführt. Druckfest gekapselte Kabel- oder Leitungsführungen sind zünddurchschlagsicher und werden in Verbindung mit druckfest gekapselten Gehäusen verwendet. Kabel- oder Leitungsführungen in erhöhter Sicherheit werden in Verbindung mit Gehäusen in der Zündschutzart erhöhte Sicherheit verwendet. Bei der Auswahl der Kabel- oder Leitungsführung sind die Anforderungen an den IP-Schutz des Gehäuses zu berücksichtigen. Conduit System In den USA wird insbesondere Wert auf hohen mechanischen Schutz der Kabel oder Leitungen gelegt. Daher hat sich hier ein Rohrleitungssystem (conduit: englisch Isolierrohr für Leitungsdrähte) stark verbreitet. Vergleich Kabel- oder Leitungseinführung mit Conduit System Die Installation von Conduit Systemen ist im Vergleich zu der Montage von Kabel oder Leitungen bzw. Kabel- Leitungseinführungen aufwändiger. Bei der Installation von Conduit Systemen ist darauf zu achten, dass die Zündsperre ordentlich vergossen ist, da ansonsten der Schutz nicht gewährleistet wird. Hierbei ist unter anderem die Position der Öffnung für die Vergussmasse entscheidend. Zudem kann sich in dem Rohrleitungssystem sehr leicht Kondenswasser bilden, das Erdschlüsse und Kurzschlüsse als Folge von Korrosion verursachen kann. Die Kabel- oder Leitungseinführung hingegen ist so aufgebaut, dass die Montage unabhängig von dem jeweiligen Monteur ist. Leitungen (Einzeladern) Vergussmasse Mineralfaserwolle (asbestfrei) Leitungschutzrohr (Ex d) Kabelsystem mit indirekter Einführung Kabelsystem mit direkter Einführung Conduit System (Rohrleitungssystem) mit Zündsperre (seal) PHOENIX CONTACT 39

40 2.5 Installationsbeispiele Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung In Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen ergeben sich für elektrische Betriebsmittel je nach Anwendung unterschiedliche Einsatzanforderungen. Es können sich z. B. bei analoger Signalübertragung folgende Einsatzbereiche für elektrische Betriebsmittel ergeben: Sensoren/Aktoren können sich in Zone 0, Zone 1 oder Zone 2 befinden Signalübertrager können sich in der Zone 1, Zone 2 oder im sicheren Bereich befinden. Steuerung, z. B. SPS, im sicheren Bereich Beispiele für die Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung sind in der Abbildung auf Seite 41 zu sehen. Eigensichere Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich Für die Installation von Sensoren/ Aktoren in der Zone 0 werden diese vorwiegend in der Zündschutzart Eigensicherheit Ex ia ausgeführt. Die eigensicheren Sensoren/Aktoren werden an zugehörige Betriebsmittel in der Zündschutzart Eigensicherheit [Ex ia] wie z. B. MACX MCR-Ex Trenner angeschlossen. In der EG- Baumusterprüfbescheinigung des Ex i-trenners sind die für die Auslegung des eigensicheren Stromkreises erforderlichen sicherheitstechnischen Daten angegeben. Die MACX MCR- Ex Trenner sorgen zusätzlich für eine galvanische Trennung des Stromkreises zu einer Steuerung vom Sensor-/Aktorstromkreis. Sind Ex i-trenner nur in der Zündschutzart [Ex ia] ausgelegt, dürfen sie nur außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches installiert werden. Wenn eine Installation der Ex i-trenner im explosionsgefährdeten Bereich erforderlich ist, sind sie geschützt durch eine weitere Zündschutzart wie z. B. Druckfeste Kapselung zu installieren. Wird ein Ex i-trenner in einem druckfest gekapselten Gehäuse montiert, ist die Installation auch in der Zone 1 möglich. Ex i-trenner können aber auch zusätzlich zur Eigensicherheit [Ex ia] in einer weiteren Zündschutzart ausgelegt sein, z. B. in der Zündschutzart n. Dann dürfen sie unter Berücksichtigung besonderer Bedingungen auch direkt in der Zone 2 installiert werden. Die Bedingungen für die Installation sind in der Betriebsanleitung der Ex i-trenner aufgeführt und können z. B. die Verwendung eines geeigneten und zugelassenen Gehäuses (EN und EN ) mit mind. Schutzklasse IP54 enthalten. Besondere Bedingungen für die Installation in ein Gehäuse sind aber meistens nur dann erforderlich, wenn das Gehäuse des Ex i-trenners die Anforderungen der EN und EN selbst nicht erfüllt. Die Ex i-trenner können auch für Sensoren/Aktoren, die in der Zündschutzart Ex ib bzw. Ex ic ausgelegt und für die Zone 1 bzw. 2 zugelassen sind, eingesetzt werden. Nichteigensichere Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich Neben der eigensicheren Signalübertragung im explosionsgefährdeten Bereich gibt es auch Sensoren/Aktoren, die in anderen Zündschutzarten ausgelegt sind, z. B. in Druckfester Kapselung oder in der Zündschutzart n. Hierfür ist die Verwendung von nichteigensicheren Trennern z. B. MINI-Analog zulässig. Auch nichteigensichere Trenner müssen beim Einsatz in der Zone 2 in einer geeigneten Zündschutzart ausgelegt sein. Die MINI-Analog Familie ist hierzu in der Zündschutzart n ausgelegt und muss in der Zone 2 in ein geeignetes und zugelassenes Gehäuse (EN und EN ) mit mind. Schutzklasse IP54 installiert werden. Ein Sensor/Aktor der Zündschutzart n kann in der Zone 2 z. B. mit einem MINI-Trenner oder mit einem Ex i-trenner verbunden werden. Wird er mit einem Ex i-trenner verbunden, kommt das Schutzprinzip der Eigensicherheit nicht mehr zum Tragen. Der Ex i-trenner ist als nichteigensicherer Trenner zu kennzeichnen, um sicherzustellen, dass er nicht mehr in eigensichere Stromkreise eingesetzt wird. Bei der Auswahl der geeigneten Geräte für die Zone 2 ist darauf zu achten, dass die elektrischen Daten der Sensoren/Aktoren nicht überschritten werden. Werden die Sensoren/Aktoren in einem druckfest gekapselten Gehäuse montiert oder haben sie selbst ein druckfest gekapseltes Gehäuse, ist die Installation auch in der Zone 1 möglich. Für den Einsatz von Sensoren/ Aktoren in der Zone 2 ist auch die Zündschutzart n geeignet. 40 PHOENIX CONTACT

41 Installationsanforderungen Die Abbildung stellt eine Auswahl an Möglichkeiten für die Installation von elektrischen Geräten im gasexplosionsgefährdeten Bereich dar. Spezielle Anforderungen an die Projektierung, Auswahl und Errichtung von elektrischen Anlagen in gasexplosionsgefährdeten Bereichen sind in der EN enthalten. Für die Installation von elektrischen Betriebsmitteln in Bereichen mit brennbarem Staub ist die EN zu beachten. Weitere wichtige Bestandteile beim Betrieb von Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen sind die Prüfung, Instandhaltung und Reparatur. Festlegungen dazu sind in der EN und EN zu finden. Beispiel für die Installation von elektrischen Geräten zur Signalübertragung Zone 0 Zone 1 Zone 2 Sicherer Bereich MACX-Ex [Ex ia] Ex n Sensor/Aktor Ex ia MACX-Ex [Ex ia] Ex n Sensor/Aktor Ex ic MACX-Ex [Ex ia] Ex n Sensor/Aktor Ex ia Sensor/Aktor Ex ib Gehäuse z. B. Ex d MACX-Ex [Ex ia] Ex n Gehäuse IP 54* SPS MACX-Ex [Ex ia] Ex n Sensor/Aktor Ex ia Gehäuse z. B. Ex d Gehäuse IP 54* MINI Ex n Sensor/Aktor MINI Ex n Sensor/Aktor Ex n Sensor/Aktor Ex n MINI Ex n * Verwendung eines geeigneten, für den Einsatz in Zone 2 zugelassenen Gehäuses PHOENIX CONTACT 41

42 2.6 Nachweis der Eigensicherheit Allgemeine Betrachtungen Der Betreiber legt aufgrund der durchgeführten Risikoanalyse die Zone, die Gruppe und die Temperaturklasse für das Feldgerät fest. Bei der Auswahl der geeigneten Geräte für den vorgesehenen Anwendungsfall sind folgende Vergleiche durchzuführen. Vergleich der Kennzeichnung eines eigensicheren Betriebsmittels (Feldgerät) in der Zone 0 und eines zugehörigen Betriebsmittels Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät) X II 1 G Ex ia IIB T6 X II 1 G Ex ia IIB T6 X II 1 G Ex ia IIB T6 Bewertung der Ex-Kennzeichnung Kategorie des eigensicheren Betriebsmittels (Feldgerät) entspricht der festgelegten Zone. Zündschutzart ist in der festgelegten Zone zulässig. Das Gerät für die Verwendung in der vorhandenen Gasatmosphäre zulässig. Zugehöriges Betriebsmittel Zugehöriges Betriebsmittel ist als solches mit Klammern gekennzeichnet. X II (1) G [Ex ia] IIC X II 1 G Ex ia IIB T6 X II 1 G Ex ia IIB T6 X II 1 G Ex ia IIB T6 Kategorie des zugehörigen Betriebsmittels entspricht mindestens der Kategorie des Feldgeräts. Zündschutzart des zugehörigen Betriebsmittels passt zu der des eigensicheren Betriebsmittels (Feldgerät). Das zugehörige Betriebsmittel ist für die gleiche oder eine höherwertige Gasgruppe zugelassen. X II (1) G [Ex ia] IIC X II (1) G [Ex ia] IIC X II (1) G [Ex ia] IIC Beschreibung sicherheitstechnischer Daten Dimensionierung eigensicherer Stromkreise Beschreibung Kurzzeichen Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich Für eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät): Max. Eingangsspannung Max. Eingangsleistung Max. innere Kapazität Max. innere Induktivität U i I i C i L i Für zugehörige Betriebsmittel: Max. Ausgangsspannung Max. Ausgangsleistung Max. äußere Kapazität Max. äußere Induktivität Für Kabel/Leitung: Kabel-/Leitungskapazität Kabel-/Leitungsinduktivität U o I o C o L o C c L c Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät) X II 1 G Ex ia IIB T6 Zugehöriges Betriebsmittel, z. B. MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I X II (1) G [Ex ia] IIC U i U o I i I o P i P o C i + C c C o L i + L c L o SPS 42 PHOENIX CONTACT

43 Analog IN Funktion: Die Geräte übertragen analoge Signale von Sensoren aus dem Feld galvanisch getrennt an eine Steuerung. Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich Eingangstrenner: Der Sensor im Feld wird vom Eingangs trenner nicht mit Energie versorgt. Speisetrenner: Stellt dem Sensor zusätzlich die benötigte Energie zur Verfügung. HART-Speisetrenner: Zusätzlich aufmoduliertes digitales Datensignal wird übertragen. Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung für einen Speisetrenner Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät)* Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät) X II 1 G Ex ia IIB T6 Kabel/Leitung Zugehöriges Betriebsmittel, z. B. MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I X II (1) G [Ex ia] IIC Zugehöriges Betriebsmittel U i U o 25,2 V I i I o 93 ma P i P o 587 mw C i + Cc (ca nf/km) C o IIC: 107 nf L i + Lc (ca. 0,8 1 mh/km) L o IIC: 2 mh SPS Beispiel MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I Analog OUT Funktion: Die Geräte übertragen analoge Signale von einer Steuerung galvanisch getrennt an einen Aktor im Feld. Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich Ausgangstrenner: Der Ausgangstrenner kann auch smartfähig sein. Somit können Aktoren im Feld durch HART-Protokoll konfiguriert werden. Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät) X II 1 G Ex ia IIB T6 Zugehöriges Betriebsmittel, z. B. MACX MCR-EX-SL-IDSI-I X II (1) G [Ex ia] IIC SPS Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät)* Kabel/Leitung Zugehöriges Betriebsmittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-IDSI-I U i U o 27,7 V I i I o 92 ma P i P o 636 mw C i + Cc (ca nf/km) C o IIC = 85 nf L i + Lc (ca. 0,8 1 mh/km) L o IIC = 2 mh * Die Werte für das eigensichere Betriebsmittel (Feldgerät) sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu entnehmen. Dieser Vergleich basiert auf der Annahme, dass Ci < 1 % vom Co ist oder Li < 1 % von Lo ist. PHOENIX CONTACT 43

44 Digital IN NAMUR-Trennschaltverstärker Die Geräte übertragen binäre Signale von Sensoren aus dem Feld über eine galvanische Trennung an die Steuerung. Dieses Signal wird im Feld von einem Schalter oder einem NAMUR-Sensor erzeugt. Das Signal wird auf der Ausgangsseite des Trennschaltverstärkers entweder durch ein Relais oder durch einen Transistor als binäres Signal an die Steuerung weitergegeben. Durch eine zusätzliche Widerstandsbeschaltung kann auch bei einfachen Schaltern eine Drahtbrucherkennung realisiert werden. 1 3 Mit Drahtbrucherkennung 1 3 Ohne Drahtbrucherkennung Über den Widerstand wird gewährleistet, dass ein minimaler Strom ständig fließt, auch wenn der Schalter geöffnet ist. So kann ein Leitungsbruch identifiziert werden. Bei einfachen elektrischen Betriebsmitteln, z. B. einfachen Schaltern, fließen Explosionsgefährdeter Bereich Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät) X II 1 G Ex ia IIB T6 Sicherer Bereich Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung Eigensicheres Betriebsmittel Kabel/Leitung Zugehöriges Betriebsmittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-NAM-R (Feldgerät)* U i U o 9,6 V I i I o 10 ma P i P o 25 mw C i + Cc (ca nf/km) C o IIC = 510 nf L i + Lc (ca. 0,8 1 mh/km) L o IIC = 100 mh nur die Induktivitäts- und Kapazitätswerte der Kabel oder Leitungen in den Vergleich der sicherheitstechnischen Daten ein. Weitere Anforderungen an einfache elektrische Betriebsmittel siehe Seite 21. Zugehöriges Betriebsmittel, z. B. MACX MCR-EX-SL-NAM-R X II (1) G [Ex ia] IIC SPS Digital OUT Ventilsteuerbaustein Ventilbausteine verbinden einen im sicheren Bereich installierten Schalter bzw. eine Spannungsquelle galvanisch getrennt mit einem Feldgerät. Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich Es können eigensichere Magnetventile, Alarmbausteine oder andere eigensichere Geräte angeschlossen sowie einfache elektrische Betriebsmittel, wie z. B. LEDs, betrieben werden. Eigensicheres Betriebsmittel (Feldgerät) X II 1 G Ex ia IIB T6 Zugehöriges elektrisches Betriebsmittel, z. B. MACX MCR-EX-SL-SD LP X II (1) G [Ex ia] IIC SPS 44 PHOENIX CONTACT * Die Werte für das eigensichere Betriebsmittel (Feldgerät) sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu e ntnehmen oder bei einfachen elektrischen Betriebsmitteln besonders zu ermitteln. Dieser Vergleich basiert auf der Annahme, dass C i < 1 % vom Co ist oder Li < 1 % von Lo ist.

45 Beispiel für den Ventilsteuerbaustein MACX MCR-EX-SL-SD LP Dimensionierung UV RI IV Ventiltrenner RC ISV USV Magnetventil Ri = Innenwiderstand des Ventiltrenners Uv = Garantierte Spannung des Ventil trenners ohne Last Rc = Maximal zulässiger Leitungswiderstand bei der Zusammenschaltung von Ventiltrenner und Ventil Rsv = Wirksamer Spulenwiderstand des Magnetventils (Kupferwiderstand der Wicklung ist von der Umgebungstemperatur abhängig) Iv = Maximaler Strom, den der Ventil trenner liefern kann Isv = Strom, den die Magnetspule benötigt, damit das Ventil anziehen kann bzw. gehalten werden kann Usv = Spannung, die bei I SV an der Spule anliegt (Kupferwiderstand der Wicklung ist von der Umgebungstemperatur abhängig) Die Dimensionierung erfolgt in mehreren Schritten. 1. Prüfung der sicherheitstechnischen Daten Ui Uo Ii Io Pi Po 2. Prüfung der Funktionsdaten Iv Isv 3. Ermittlung des max. zulässigen Leitungswiderstands Rc = U v - R i - Rsv Isv Rc > 0 Ω, ansonsten ist die Funktion nicht gewährleistet. RSV 1. Prüfung der sicherheitstechnischen Daten Vergleich der sicherheitstechnischen Daten aus der Ex-Zulassung Eigensicheres Betriebsmittel Beispiel Ventil Kabel/ Leitung Beispiel 100 m Zugehöriges Betriebsmittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-SD LP (Feldgerät) U i 28 V U o 27,7 V I i 115 ma I o 101 ma P i 1,6 W P o 697 mw C i L i Vernachlässigbar klein Vernachlässigbar klein +Cc + 18 nf C o IIC = 80 nf IIB = 660 nf +Lc + 0,08 mh 2. Prüfung der Funktionsdaten Ventiltrenner Uv = 24 V, Ri = 276 Ω, Iv = 48 ma Ventil Rsv 65 C C = 566 Ω, Isv = 23 ma Iv Isv 3. Ermittlung von R C Rc= U v - R i - Rsv = Isv 24 V 0,023 A Aus der Berechnung ergibt sich, dass für die Leitung ein Widerstand von 201,5 Ω zur Verfügung steht. Empfehlung: Für die Funktion des Ventils sollte der tatsächliche Leitungswiederstand eine Reserve von 25 Ω haben. Bei einem Leistungsquerschnitt von 0,5mm 2 beträgt die maximal mögliche L o IIC = 5,2 mh IIB = 20 mh Daraus folgt, dass der maximale Strom, den der Ventilsteuerbaustein liefern kann, für den Betrieb der Magnetspule ausreicht Ω Ω = 201,5 Ω Leitungslänge 2,45 km bei einer Reserve von 25 Ω. Da aber sicherheitstechnische Daten aus der Ex-Zulassung ebenfalls zu berücksichtigen sind, beträgt die maximal zulässige Leitungslänge im Beispiel 444 m für Gruppe IIC. Für Gruppe IIB könnte eine Leitungslänge von 3,66 km realisiert werden. Hier beschränken dann die Funktionsdaten die maximal mögliche Leitungslänge auf 2,45 km. Richtwert für Kabel oder Leitungen Leiterwiderstand (Hin-/ Rückleitung) Kabelkapazität Kabelinduktivität 0,5 mm 2 : 72 Ω/km 0,75 mm 2 : 48 Ω/km 1,5 mm 2 : 24 Ω/km ca. 180 nf/km ca. 0,8 mh/km * Die Werte für das Feldgerät sind der jeweiligen EG-Baumusterprüfbescheinigung zu entnehmen. PHOENIX CONTACT 45

46 Temperaturmessung Temperaturmessumformer Temperaturmessumformer wandeln Messsignale von veränderlichen Widerständen (z. B. Pt100 usw.) oder Thermoelementen (z. B. J, K) in Standardsignale 0 20 ma, 4 20 ma um. Bei Pt100-Widerständen kann die 2-, 3-, oder 4-Leiter-Messtechnik Anwendung finden. Temperaturmessung Die Temperatur im Inneren eines Heizöltanks soll überwacht werden. Die Messung erfolgt mit einem Pt100- Widerstand. Dieser kann gemäß EN als einfaches elektrisches Betriebsmittel betrachtet werden, da er passiv ist. Einfache elektrische Betriebsmittel müssen die Anforderungen der EN erfüllen und dürfen die Eigensicherheit des Stromkreises, in dem sie eingesetzt werden, nicht beinträchtigen. Der Prüfungsaufwand reduziert sich, wenn zertifizierte, eigensichere Sensoren verwendet werden. Um das Messsignal in ein Standardsignal für die Steuerung umzusetzen, gibt es zwei Möglichkeiten. Fall I Das Messsignal des Pt100-Widerstands wird über eine Signalleitung zu dem Temperaturmessumformer MACX MCR-EX-SL-RTD-I geführt. Im Messumformer wird das Temperatursignal in ein Standardsignal gewandelt und gleichzeitig erfolgt die Trennung zwischen eigensicherem und nichteigen sicherem Stromkreis. Der Messumformer ist ein zugehöriges Betriebsmittel der Zündschutzart Eigensicherheit Ex ia. Er wird in einem Schaltschrank im sicheren Bereich installiert. Explosionsgefährdeter Bereich ϑ Einfaches elektrisches Betriebsmittel Sicherer Bereich In diesem Fall erfordert die Schaltung keinen weiteren Aufwand bei der elektrischen Dimensionierung. Zu prüfen ist dennoch, ob die Summe aller Kabel- oder Leitungskapazitäten und -induktivitäten im eigensicheren Stromkreis die von dem Messumformer vorgegebenen Daten nicht überschreitet. Zugehöriges Betriebsmittel, z. B. MACX MCR-EX-SL-RTD-I X II (1) G [Ex ia] IIC SPS Beispiel für Fall I Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung Pt100- Widerstand* Kabel/Leitung Zugehöriges Betriebsmittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-RTD-I Uo 6 V Io 6,3 ma Po 9,4 mw + Cc (ca nf/km) < Co IIB = 6,9 μf IIC= 1,4 μf + Lc (ca. 0,8 1 mh/km) < Lo IIB = 100 mh IIC = 100 mh 46 PHOENIX CONTACT * Passiv laut EN

47 Temperaturmessung Fall II Im zweiten Fall findet die Umwandlung des Temperatursignals in ein Standardsignal in der Nähe der Messstelle, also im explosionsgefährdeten Bereich statt. Dazu wird der Temperatur-Kopfmessumformer MCR-FL-HT-TS-I-Ex verwendet. Das Standardsignal wird dann zu dem Speisetrenner MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I geleitet. Dieser wird im sicheren Bereich installiert. Im Speisetrenner erfolgt die Trennung zwischen eigensicherem und nichteigensicherem Stromkreis. Bezogen auf den Pt100-Widerstand und den Kopfmessumformer sind, wie im ersten Fall, keine besonderen Bedingungen einzuhalten. Zu vergleichen sind die sicherheitsrelevanten Daten des elektrischen Betriebsmittels, des eigensicheren Temperatur-Kopfmessumformers und des Speisetrenners als zugehöriges Betriebsmittel. Spannung, Strom und Energie des Speisetrenners müssen kleiner sein als die zugelassenen Eingangswerte des eigensicheren Temperatur-Kopfmessumformers. Zusätzlich ist zu prüfen, ob die Summe aller Kapazitäten und Induktivitäten im eigensicheren Stromkreis die von dem Speisetrenner vorgegebenen Daten nicht überschreitet. Dazu gehören auch die technischen Daten von Kabeln und Leitungen des eigensicheren Strom kreises. Explosionsgefährdeter Bereich Sicherer Bereich ϑ Einfaches elektrisches Betriebsmittel Eigensicherer Temperatur- Kopf mess umformer, z. B. MCR-FL-HT-TS-I-Ex X II 2 G Ex ia IIB T6 Zugehöriges Betriebsmittel, z. B. MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I X II (1) G [Ex ia] IIC SPS Beispiel für Fall II Vergleich der sicherheitsrelevanten Daten aus der Ex-Zulassung Pt100- Widerstand* Kabel/ Leitung Zugehöriges Betriebs mittel Beispiel MCR-FL-HT-TS-I-Ex Kabel/ Leitung Zugehöriges Betriebs mittel Beispiel MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I Uo Ui = 30 V > Uo 25,2 V Io Ii = 100 ma > Io 93 ma Po Pi = 750 mw < Po 587 mw + Cc < Co Ci 0 + Cc < Co IIC= 107 μf + Lc < Lo Li 0 + Lc < Lo IIC = 2 mh * Passiv laut EN PHOENIX CONTACT 47

48 3 Technisches Basiswissen Neben der Kenntnis der grundlegenden Zusammenhänge zum Explosionsschutz gibt es noch eine Reihe weiterer Grundlagen der MSR-Technik, die nicht spezifisch dem Explosionsschutz zugeordnet werden, aber dennoch von Bedeutung sind. Neben den IP-Schutzklassen, der Funktionsweise von NAMUR-Sensoren und dem Übertragungsprinzip des HART- Protokolls trifft dies besonders auf das Thema der Funktionalen Sicherheit zu. 48 PHOENIX CONTACT

49 NEMA-Klassifikation NEMA Verwendung Bedingung (angelehnt an NEMA-Standard 250) IP-Schutzart 1 In Innenräumen Schutz gegen zufälligen Kontakt und eine begrenzte Menge Schmutz IP20 2 In Innenräumen Eindringen von Tropfwasser und Schmutz 3 Im Freien Schutz gegen Staub und Regen, keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse IP64 3R Im Freien Schutz gegen fallenden Regen, keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse IP22 3S Im Freien Schutz gegen Staub, Regen und Hagel, außenliegende Mechanismen bleiben bei Eisbildung betriebsbereit IP64 4 In Innenräumen oder im Freien Schutz gegen Spritzwasser, Staub und Regen, keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse IP66 4X In Innenräumen oder im Freien Schutz gegen Spritzwasser, Staub und Regen, keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse, korrosionsgeschützt IP66 6 In Innenräumen oder im Freien Schutz gegen Staub, Wasserstrahl und Wasser während vorübergehenden Untertauchens, keine Beschädigung bei Eisbildung am Gehäuse IP67 6P In Innenräumen oder im Freien Schutz gegen Wasser während längeren Untertauchens; korrosionsgeschützt 11 In Innenräumen Schutz gegen Tropfwasser, korrosionsgeschützt 12, 12K In Innenräumen Schutz gegen Staub, Schmutz und tropfende, nicht korrodierenden Flüssigkeiten IP55 13 In Innenräumen Schutz gegen Staub und Spritzwasser, Öl und nichtkorrodierende Flüssigkeiten IP65 Wichtige Hinweise: Die Prüfbedingungen und Anforderungen von NEMA-Klassifikation und IP-Schutz (EN 60529) sind nicht exakt miteinander vergleichbar. Es können Nicht-IP-Schutzarten in NEMA-Klassifikationen umgewandelt werden. PHOENIX CONTACT 49

50 IP-Schutzart (entsprechend EN 60529) IP 5 Erste Schutzgrade gegen Zugang zu gefährlichen Teilen und feste Fremdkörper Kenn ziffer Kurzbeschreibung Definition 0 Nicht geschützt 1 Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit dem Handrücken. Die Zugangssonde, Kugel mit 50 mm Durchmesser, muss ausreichenden Abstand von gefährlichen Teilen haben. Geschützt gegen feste Fremdkörper mit 50 mm Durchmesser und größer. Die Objektsonde, Kugel mit 50 mm Durchmesser, darf nicht voll eindringen*. 2 Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Finger. Der gegliederte Prüffinger, 12 mm Durchmesser, 80 mm Länge, muss ausreichend Abstand von gefährlichen Teilen haben. Geschützt gegen feste Fremdkörper mit 12,5 mm Durchmesser und größer. Die Objektsonde, Kugel mit 12,5 mm Durchmesser, darf nicht voll eindringen.* 3 Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Werkzeug. Die Zugangssonde, 2,5 mm Durchmesser, darf nicht eindringen. Geschützt gegen feste Fremdkörper mit 2,5 mm Durchmesser und größer. 4 Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Draht. Die Objektsonde, 2,5 mm Durchmesser, darf überhaupt nicht eindringen.* Die Zugangssonde, 1,0 mm Durchmesser, darf nicht eindringen. Geschützt gegen feste Fremdkörper mit 1,0 mm Durchmesser und größer. 5 Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Draht. Die Objektsonde, 1,0 mm Durchmesser, darf überhaupt nicht eindringen.* Die Zugangssonde, 1,0 mm Durchmesser, darf nicht eindringen. Staubgeschützt 6 Geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Draht. Staubdicht Eindringen von Staub ist nicht vollständig verhindert, aber Staub darf nicht in einer solchen Menge eindringen, dass das zufriedenstellende Arbeiten des Geräts oder die Sicherheit beeinträchtigt wird. Die Zugangssonde, 1,0 mm Durchmesser, darf nicht eindringen. Kein Eindringen von Staub. * Der volle Durchmesser der Objektsonde darf nicht durch eine Öffnung des Gehäuses hindurchdringen. Anmerkung Wo eine Kennziffer nicht angegeben werden muss, ist sie durch den Buchstaben X zu ersetzen. Geräte, die mit der zweiten Ziffer 7 oder 8 bezeichnet sind, brauchen die Anforderungen der zweiten Ziffer 5 oder 6 nicht zu erfüllen, es sei denn, sie sind mit einer Doppelbezeichnung (z. B. IPX6/IPX7) versehen. 50 PHOENIX CONTACT

51 4 Zweite Kenn ziffer Schutzgrad gegen Wasser Kurzbeschreibung Definition 0 Nicht geschützt 1 Geschützt gegen Tropfwasser. Senkrecht fallende Tropfen dürfen keine schädlichen Wirkungen haben. 2 Geschützt gegen Tropfwasser, wenn das Gehäuse bis zu 15 geneigt ist. Senkrecht fallende Tropfen dürfen keine schädlichen Wirkungen haben, wenn das Gehäuse um einen Winkel bis zu 15º beiderseits der Senkrechten geneigt ist. 3 Geschützt gegen Sprühwasser. Wasser, das in einem Winkel bis zu 60º beiderseits der Senkrechten gesprüht wird, darf keine schädlichen Wirkungen haben. 4 Geschützt gegen Spritzwasser. Wasser, das aus jeder Richtung gegen das Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben. 4K Geschützt gegen Spritzwasser mit erhöhtem Druck. Wasser, das aus jeder Richtung mit erhöhtem Druck gegen das Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt nach DIN Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge). 5 Geschützt gegen Strahlwasser. Wasser, das aus jeder Richtung als Strahl gegen das Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben. 6 Geschützt gegen starkes Strahlwasser. Wasser, das aus jeder Richtung als starker Strahl gegen das Gehäuse spritzt, darf keine schädlichen Wirkungen haben. 6K Geschützt gegen starkes Strahlwasser mit erhöhtem Druck. Wasser, das aus jeder Richtung als Strahl mit erhöhtem Druck gegen das Gehäuse gerichtet ist, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt nach DIN Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge). 7 Geschützt gegen die Wirkungen beim zeitweiligen Untertauchen in Wasser. Wasser darf nicht in einer Menge eintreten, die schädliche Wirkungen verursacht, wenn das Gehäuse unter genormten Druckund Zeitbedingungen zeitweilig in Wasser untergetaucht ist. 8 Geschützt gegen die Wirkungen beim dauernden Untertauchen in Wasser. Wasser darf nicht in einer Menge eintreten, die schädliche Wirkungen verursacht, wenn das Gehäuse dauernd unter Wasser getaucht ist unter Bedingungen, die zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden müssen. Die Bedingungen müssen jedoch schwieriger sein als für die Kennziffer 7. 9K Geschützt gegen Wasser bei Hochdruckoder Dampfstrahlreinigung. Wasser, das aus jeder Richtung unter stark erhöhtem Druck gegen das Gehäuse gerichtet ist, darf keine schädlichen Wirkungen haben (gilt nach DIN Teil 9 nur für Straßenfahrzeuge). PHOENIX CONTACT 51

52 3.1 MSR-Technik Prinzipien der Signalübertragung Aktive Trennung 3-Wege-Trennung Eingangstrennung Speisetrennung Eingangssignal IN OUT Ausgangssignal Eingangssignal IN OUT Ausgangssignal Speisung des Messumformers IN OUT Ausgangssignal Eingangssignal POWER Bei Modulen mit dieser Trennungstechnik sind alle Komponenten, die an Eingang, Ausgang oder Versorgung angeschlossen sind, gegeneinander vor Störungen geschützt. Entsprechend sind alle 3-Wege (Eingang, Ausgang und Versorgung) galvanisch voneinander getrennt. Die 3-Wege-Trennung sorgt sowohl für eine galvanische Trennung zwischen Messaufnehmer und Steuerung als auch zwischen Steuerung und Stellglied. Eingangsseitig benötigen die Module aktive Signale. Ausgangsseitig stellen sie ein gefiltertes und verstärktes Signal zur Verfügung. POWER Bei Modulen mit dieser Trennungstechnik soll die ausgangsseitig angeschlossene Elektronik (z. B. Steuerung) vor Störungen aus dem Feld geschützt werden. Daher ist nur der Eingang von den auf gleichem Potenzial liegenden Ausgang und Versorgung galvanisch getrennt. Die Module benötigen eingangsseitig aktive Signale (z. B. von Messaufnehmern). Ausgangsseitig stellen sie ein gefiltertes und verstärktes Signal zur Verfügung (z. B. der Steuerung). POWER Speisetrenner nutzen die Signaleingangsseite nicht nur zur Messwerterfassung, sondern stellen den eingangsseitig anzuschließenden passiven Messaufnehmern auch die benötigte Versorgung zur Verfügung. Ausgangsseitig stellen sie ein gefiltertes und verstärktes Signal zur Verfügung (z. B. der Steuerung). Die Trennungstechnik dieser Module entspricht der Eingangstrennung. Problem: Störeinstrahlung Problem: Spannungsdifferenz im Erdpotenzial I R E R E Lösung: Lösung: P Erde 1 Erdstromschleife P Erde 2 I R E R E P Erde 1 keine Erdstromschleife P Erde 2 52 PHOENIX CONTACT

53 Passive Trennung Passive Trennung, eingangsseitig gespeist Passive Trennung, ausgangsseitig gespeist (Loop-powered) Passiver Speisetrenner Speisung über Signal Eingangssignal IN OUT Ausgangssignal Eingangssignal IN OUT Speisung über Signal Ausgangssignal Speisung des Messumformers Eingangssignal IN OUT Speisung über Signal Ausgangssignal Die Module beziehen die zur Signalübertragung und galvanischen Trennung benötigte Energie aus dem aktiven Eingangskreis. Ausgangsseitig steht ein aufbereitetes Stromsignal für die Steuerung oder für Stellglieder zur Verfügung. Diese passive Trennung ermöglicht die Signalaufbereitung (Auftrennen von Erdschleifen) und -filterung ohne eine zusätzliche Versorgung. Die Module beziehen die zur Signalübertragung und galvanischen Trennung benötigte Energie aus dem aktiven Ausgangskreis, idealerweise von einer versorgenden SPS-Eingangskarte. Ausgangsseitig arbeiten die Loop-powered-Module mit einem 4 20 ma- Normsignal. Eingangsseitig verarbeitet der Passivtrenner aktive Signale. Beim Einsatz dieser Trennungstechnik muss beachtet werden, dass die ausgangsseitig angeschlossene aktive Signalquelle (z. B. aktive SPS-Eingangskarte) sowohl den Passivtrenner versorgen als auch ihre Bürde treiben kann. Die Module beziehen die zur Signalübertragung und galvanischen Trennung benötigte Energie aus dem aktiven Ausgangskreis. Diese aus dem Ausgangskreis gezogene Energie stellt der passive Speisetrenner außerdem einem eingangsseitig angeschlossenen passiven Messaufnehmer zur Verfügung. Der Messaufnehmer liefert mithilfe der zur Verfügung gestellten Energie ein Signal, das der passive Speisetrenner galvanisch trennt und ausgangsseitig zur Verfügung stellt. Daher verlaufen Signal- und Energiefluss bei einer passiven Speisetrennung grundsätzlich gegensätzlich zueinander. NAMUR-Sensor und Schaltverstärker I 3 ma Schaltpunkte 2,1 1,2 widerstand. Diese Sensorströme sind von einem nachgeschalteten Schaltverstärker gemäß untenstehendem Spannungs- und Stromdiagramm auszuwerten. Schaltstromdifferenz Schaltwegdifferenz Beispiel einer stetigen Kennlinie eines Näherungssensors s I1 Abstand S Bei NAMUR-Sensoren handelt es sich um eine spezielle Art von 2-Leiter- Näherungssensoren, deren Stromausgangskennlinie in der Norm EN festgeschrieben ist. Für den Betrieb müssen diese Sensoren von der auswertenden Elektronik mit einer Speisespannung von typischerweise 8,2 V DC versorgt werden. Abhängig davon, ob der Abstand eines zu detektierenden Gegenstands über oder unter der Schaltschwelle liegt, sind für den Näherungssensor die Schaltzustände leitend oder sperrend definiert. Je nach Anwendung kann diese Zuordnung auch invertiert sein. Laut Norm ist für den Zustand sperrend ein Sensorstrom von 0,4 bis 1,0 ma definiert, für den Zustand leitend mindestens 2,2 ma bei mindestens 400 Ω Sensorinnen- I 3 ma ,1 1,2 Beispiel einer nichtstetigen Kennlinie eines Näherungssensors s I1 Abstand S PHOENIX CONTACT 53

54 Einteilung von Näherungsschaltern 1. Stelle/ 1 Zeichen 2. Stelle/ 1 Zeichen 3. Stelle/ 3 Zeichen 4. Stelle/ 1 Zeichen 5. Stelle/ 1 Zeichen 6. Stelle/ 1 Zeichen 8. Stelle/ 1 Zeichen Erfassungsart Bauform und Größe Mechanische Einbaubedingungen Schaltelementfunktion Ausgangsart Anschlussart NAMUR-Funktion I = induktiv C = kapazitiv U = Ultraschall D = photoelektrisch diffus reflektiertes Lichtbündel R = photoelektrisch reflektiertes Lichtbündel T = photoelektrisch direktes Lichtbündel 1 = bündig einbaubar 2 = nicht bündig einbaubar 3 = nicht festgelegt FORM (1 Großbuchstabe) A = zylindrische Gewindehülse B = glatte zylindrische Hülse C = rechteckig mit quadratischem Querschnitt D = rechteckig mit rechteckigem Querschnitt GRÖSSE (2 Ziffern) für Durchmesser oder Seitenlänge A = Schließer B = Öffner P = programmierbar durch Anwender S = andere D = 2 Anschlüsse DC S = andere 1 = integrierte Anschlussleitung 2 =Steckanschluss 3 = Schraubanschluss 9 = andere N = NAMUR- Funktion Diese Tabelle ist eine Erweiterung der Tabelle 1 von EN NAMUR-Sensor Sicherer Bereich SPS MACX MCR-EX-SL-NAM Netzspannung NAMUR-Sensor im Feld Schaltungsaufbau mit einem NAMUR-Sensor im Ex-Bereich. NAMUR-Schaltverstärker Bei den NAMUR-Schaltverstärkern können folgende Signale und Eigenschaften des NAMUR-Sensors ausgewertet werden: a Ansprechbereich für Änderung des Schaltzustands ΔI1: 1,2 ma bis 2,1 ma b Ansprechbereich für Unterbrechung im Steuerstromkreis ΔI1: 0,05 ma bis 0,35 ma c Überwachungsbereich für Unterbrechung I 0,05 ma d Ansprechbereich für Kurzschluss im Steuerkreis ΔR: 100 Ω bis 360 Ω e Überwachungsbereich für Kurzschluss R 100 Ω U V c 1 a 2 b 3 I Steuereingang des NAMUR-Schaltverstärkers 7 8 d e R = 360 Ω R = 100 Ω l/ma 54 PHOENIX CONTACT

55 Smartfähige Geräte HART-Protokoll In der Prozessindustrie müssen für eine große Anzahl von analogen Feldgeräten bei der Inbetriebnahme und Wartung, aber auch während des laufenden Betriebs eine Konfiguration durchgeführt bzw. Diagnose-Daten ermittelt werden. Um eine solche Kommunikation zum Feldgerät zu ermöglichen, werden dem analogen Signal digitale Informationen überlagert. Dazu müssen alle beteiligten Geräte smartfähig sein. In der Praxis hat sich für diese Art der Kommunikation das HART-Protokoll durchgesetzt. Da diese Technologie die zurzeit am weitesten verbreitete ist, soll an ihr die Smart-Thematik erläutert werden. Bei dem HART-Protokoll wird die Übertragung der digitalen Information mithilfe der Frequenzumtastung (FSK Frequency Shift Keying) auf das analoge 4- bis 20-mA-Signal aufmoduliert. Grundsätzlich wird zwischen zwei möglichen Betriebsarten unterschieden: Dem Punkt-zu-Punkt-Betrieb mit der Kommunikation nur zu einem im 4- bis 20-mA-Signal-Stromkreis angeschlossenen Feldgerät und dem Multi-Drop-Betrieb, in dem bis zu 15 Feldgeräte in dem Stromkreis parallel geschaltet werden können. Diese beiden Betriebsarten unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass im Punkt-zu-Punkt-Betrieb das analoge 4- bis 20-mA-Signal wie gewohnt weiter genutzt werden kann und das gewünschte Prozesssignal überträgt. Dabei können zusätzliche Daten in digitaler Form übertragen werden. Beim Multi-Drop-Betrieb wird im Feldgerät ein Stromsignal von 4 ma als Trägermedium genutzt, um die ausschließlich digitalen Informationen von und zu den angeschlossenen Feldgeräten weiterzuleiten. Analoges Signal überlagert von digitalem HART-Signal 20 ma 4 ma 2200 Hz "0" 1200 Hz "1" 1200 Hz "1" 2200 Hz "0" 2200 Hz Der Anschluss der Geräte ist sowohl im Punkt-zu-Punkt-Betrieb als auch im Multi-Drop-Betrieb (mit bis zu 15 Teilnehmern parallel) möglich. Beim Punkt-zu-Punkt-Betrieb steht das 4- bis 20-mA-Signal wie gewohnt weiter als Prozesssignal zur Verfügung. Für den Multi-Drop-Betrieb wird ein eingeprägter Mindeststrom von 4 ma als Träger für die HART-Kommunikation benötigt. Dabei kommt es aber auf die technische Infrastruktur der Installation der Anlage an, mit welchem Hilfsmittel diese Funktionalität genutzt wird. Mit Hilfe eines Handheld-Geräts lassen sich direkt im Feld an den Klemmen der Interface-Geräte die Diagnose und Konfiguration der Feldgeräte durchführen. Werden die HART-Informationen mittels HART-Multiplexern oder über E/A-Module der Steuerungsebene an übergeordnete Engineering-Werkzeuge weitergeleitet, dann können diese z. B. auch von Asset-Management-Systemen genutzt werden. Mit Asset-Management-Systemen können Konfigurations- und Diagnosefunktionen auch automatisch durchgeführt werden. Außerdem bieten sie den technischen Rahmen Feldgerätedaten (z. B. Einstellparameter) zu archivieren. "0" t Aufbau mit HART-Signalein speisung Smart Trans mitter Ex ia ϑ I Sicherer Bereich Speisetrenner [Ex ia] i 4 20 ma khz HART-Konfigurationsgerät Je nach physikalischem Aufbau kann auch die Steuerungsebene die HART- Kommunikation nutzen, um aus der Steuerung heraus Einfluss auf das Feldgerät (z. B. Sollwert, Messbereichsänderung) zu nehmen oder zusätzliche Information (z. B. Prozesssignale) abzufragen. Wie in der normalen Installation (ohne HART-Kommunikation) auch, stellen Interface-Geräte die Schnittstelle zwischen den Feldgeräten (Sensoren und Aktoren) und der E/A-Ebene der Steuerung dar. Um die auf dem analogen 4- bis 20-mA-Signal aufmodulierten Informationen sicher und ohne Störung übertragen zu können, müssen die dazu eingesetzten Interface-Geräte smartfähig sein. Das heißt, im Betrieb dürfen keine Einwirkungen auf das HART-Signal, z. B. durch Filter, auftreten. Bei Interface-Geräten zur Signalanpassung mit galvanischer Trennung wird das HART-Signal im Interface-Gerät ausgekoppelt und separat übertragen. Darüber hinaus ist auch die angeschlossene Bürde im Stromkreis zu berücksichtigen, da das HART-Signal einen Abschlusswiderstand von 250 Ω erfordert. i PHOENIX CONTACT 55

56 3.2 SIL Grundlagen (Funktionale Sicherheit) Normative Grundlagen Sicherheitsgerichtete Funktion für den Ex-Bereich Der Begriff SIL (Safety Integrity Level) prägt zunehmend die Prozesstechnik. Damit werden Anforderungen definiert, die an ein Gerät bzw. System gestellt werden, um die Ausfallwahrscheinlichkeit zu beschreiben. Ziel ist es, möglichst hohe Betriebssicherheit zu erreichen. Fällt das Gerät oder System aus, so wird ein definierter Zustand erreicht. Die Betrachtungen an Hand der Normen erfolgt auf statistischer Wahrscheinlichkeit. Anwendung von SIL auf Basis von IEC und IEC Für einen weiten Bereich von Industrien innerhalb der Prozessindustrie, einschließlich Chemieindustrie, Raffinerien, Öl- und Gasförderung, Papier herstellung, konventioneller Stromerzeugung, wird die SIL-Norm angewendet. Neben der Funktionalen Sicherheit sind bei Anlagen im explosionsgefährdeten Bereich auch die Ex- Normen EN ff anzuwenden. IEC 61508: Funktionale Sicherheit für sicherheitsbezogene elektrische, elektronische oder programmierbare elektronische Systeme Diese Norm beschreibt die Anforderungen, die der Hersteller für seine Geräte bzw. Systeme zu berücksichtigen hat. IEC 61511: Funktionale Sicherheit Sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie Die Norm IEC beschreibt die Anforderungen zur Errichtung und Betrieb von Anlagen mit Funktionaler Sicherheit. Die Einhaltung der Norm wird durch den Betreiber, Eigentümer und Planer aufgrund von Sicherheitsplanungen und nationalen Vorschriften festgelegt. Daneben wird auch die Anforderung an ein Gerät beschrieben, um es durch die Betriebsbewährtheit (proven-inuse) in einer Applikation einsetzen zu können. SIL-Betrachtung Bei der Betrachtung von SIL ist die Gesamtheit des Signalwegs zu beachten. In dem Beispiel wird dargestellt, wie sich in einer typischen sicherheitstechnischen Applikation die Berechnung anhand von mittleren Ausfallwahrscheinlichkeiten der einzelnen Geräte ergibt. In der Norm IEC , Tabelle 2 ist der Zusammenhang zwischen der mittleren Ausfallwahrscheinlichkeit und dem erreichbaren SIL-Level beschrieben. An Hand des geforderten Levels kann dabei das Gesamtbudget für die Summe aller PFD-Werte abgelesen werden. Sicherheits- Integritätslevel SIL Betriebsart mit niedriger Anforderungsrate (mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der entworfenen Funktion bei Anforderung) bis < bis < bis < bis < 10-1 Sicherheits-Integritätslevel: Ausfallgrenzwerte für eine Sicherheitsfunktion, die in der Betriebsart mit niedriger Anforderungsrate betrieben wird Als Beispiel wird hier eine Anlage mit einkanaliger Struktur mit niedriger Anforderungsrate angenommen, dann liegt bei SIL 2 der mittlere PFD-Wert zwischen 10-3 bis < PHOENIX CONTACT

57 Beispiel: Sensor und Aktor sind im Feld montiert und werden chemisch und physikalisch belastet (Prozessmedium, Druck, Temperatur, Vibration usw.). Entsprechend hoch ist das Fehlerrisiko dieser Komponenten. Deshalb sind für den Sensor 25 % und für den Aktor 40 % des Gesamt-PFD vorgesehen. Für die fehlersichere Steuerung bleiben 15 % und für die Interfacebausteine je 10 %. Beide haben keinen Kontakt zum Prozessmedium und sind in der Regel in einem geschützten Schaltschrank untergebracht. Die Werte werden typischerweise der Berechnung zugrunde gelegt. Sensor Sensor Digitaleingang Analogeingang Digitaleingang Analogeingang PFD 1 + PFD 2 + PFD 3 + PFD 4 + PFD 5 10 % Signalweg 35 % Sensorik und Signalweg Steuerung 15 % SSPS Mögliche Verteilung der PFD-Werte in einem Sicherheitsregelkreis 10 % Signalweg 50 % Aktor und Signalweg Aktor Aktor Übersicht von Begriffen aus den Normen EN und EN SIL = Safety Integrity Level (Sicherheits-Integritätslevel) Eine von vier diskreten Stufen zur Spezifizierung der Anforderungen für die Sicherheitsintegrität der sicherheitstechnischen Funktionen, die dem E/E/PE-sicherheitstechnischen System zugeordnet werden, wobei der Sicherheits-Integritätslevel 4 die höchste Stufe und der Sicherheits- Integritätslevel 1 die niedrigste Stufe der Sicherheitsintegrität darstellt. EUC = Equipment under control Einrichtung, Maschine, Apparat oder Anlage, verwendet zur Fertigung, Stoffumformung, zum Transport. MTBF = Mean Time Between Failures Die erwartete mittlere Zeit zwischen Fehlern. PFD = Probability of Failure on Demand Die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls bei Anforderung. Beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein sicherheitstechnisches System seine Funktion im Bedarfsfall nicht ausführt. PFDavg = Average Probability of Failure on Demand Mittlere Ausfallwahrscheinlichkeit der Funktion im Anforderungsfall. E/E/PES = Elektrische/elektronische/ programmierbare elektronische Systeme Ein Begriff, der verwendet wird, um alle elektrischen Geräte oder Systeme zu erfassen, die zur Durchführung einer sicherheitstechnischen Funktion verwendet werden können. Er beinhaltet somit einfache elektrische Geräte und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) jeder Art. PFH = Probability of dangerous Failure per Hour Beschreibt die Wahrscheinlichkeit eines gefahrbringenden Ausfalls pro Stunde. SFF = Safe Failure Fraction Beschreibt den Anteil ungefährlicher Ausfälle. Sie ergibt sich aus dem Verhältnis der Rate der sicheren Fehler plus der Rate der diagnostizierten bzw. erkannten Fehler in Bezug zur gesamten Ausfallrate des Systems. SIF = Safety Instrumented Function Beschreibt die sicherheits technische Funktion. SIS = Safety Instrumented System Ein SIS (sicherheitstechnisches System) besteht aus einer oder mehreren sicherheitstechnischen Funktionen. Für jede dieser sicherheitstechnischen Funktionen gilt eine SIL-Anforderung. PHOENIX CONTACT 57

58 3.3 Glossar Begriffe aus dem Explosionsschutz Explosionsgefährdeter Bereich (kurz: Ex-Bereich) Ein Bereich, in dem eine explosionsgefährdete Atmosphäre in solchen Mengen vorhanden ist oder erwartet werden kann, dass spezielle Vorkehrungen bei der Konstruktion, der Errichtung und dem Einsatz von elektrischen Betriebsmitteln erforderlich sind. Ex-Bauteil Ein Teil eines elektrischen Betriebsmittels für explosionsgefährdete Bereiche oder ein Modul (ausgenommen Ex-Kabel- oder Leitungseinführung), gekennzeichnet mit dem Symbol U, das in solchen Bereichen nicht für sich allein verwendet werden darf und das einer zusätzlichen Bescheinigung beim Einbau in elektrische Betriebsmittel oder Systeme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen bedarf. U-Symbol U ist das Symbol, welches als Ergänzung hinter der Bescheinigungsnummer verwendet wird, um ein Ex-Bauteil zu kennzeichnen. X-Symbol X ist das Symbol, welches als Ergänzung hinter der Bescheinigung benutzt wird, um besondere Bedingungen für die sichere Anwendung zu kennzeichnen. Anmerkung: Die Symbole X und U werden nicht gleichzeitig verwendet. Eigensicherer Stromkreis Ein Stromkreis, in dem weder ein Funke noch ein thermischer Effekt eine Zündung einer bestimmten explosionsfähigen Atmosphäre verursachen kann. Elektrisches Betriebsmittel Die Gesamtheit von Bauteilen, elektrischen Stromkreisen oder Teilen von elektrischen Stromkreisen, die sich üblicherweise in einem einzigen Gehäuse befinden. Eigensicheres elektrisches Betriebsmittel Ein Betriebsmittel, in dem alle Stromkreise eigensicher sind. Zugehöriges Betriebsmittel Ein elektrisches Betriebsmittel, das sowohl eigensichere als auch nichteigensichere Stromkreise enthält, und so aufgebaut ist, dass die nichteigensicheren Stromkreise die eigensicheren nicht beeinträchtigen können. Anmerkung: Dieses ist auch an den eckigen Klammern und den runden Klammern der Kennzeichnung zu erkennen. Zugehörige Betriebsmittel müssen außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs montiert werden, sofern sie nicht einer anderen geeigneten Zündschutzart entsprechen. Einfaches elektrisches Betriebsmittel Ein elektrisches Betriebsmittel oder eine Kombination von Bauteilen einfacher Bauart, mit genau festgelegten elektrischen Parametern, die die Eigensicherheit des Stromkreises, in dem sie eingesetzt werden sollen, nicht beeinträchtigen. Abkürzungen: Anmerkung: Der Index i bedeutet in, der Index o steht für out. Ui = Maximale Eingangsspannung Die höchste Spannung (Spitzenwert der Wechselspannung oder Gleichspannung), die an die Anschlussteile eigensicherer Stromkreise angelegt werden kann, ohne die Eigensicherheit zu beeinträchtigen. Das heißt, an diesem eigensicheren Stromkreis darf keine höhere Spannung als der Wert des zugehörigen Ui angeschlossen werden. Es muss auch eine mögliche Spannungsaddition betrachtet werden. Siehe auch EN Anhang B. Ii = Maximaler Eingangsstrom Der höchste Strom (Spitzenwert des Wechselstroms oder Gleichstroms), der über die Anschlussteile der eigensicheren Stromkreise eingespeist werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben. Das heißt, in diesen eigensicheren Stromkreis darf kein höherer Strom als der Wert des zugehörigen Ii eingespeist werden. Es muss auch hier eine mögliche Stromaddition betrachtet werden. Siehe auch hier EN Anhang B. Pi = Maximale Eingangsleistung Die höchste Eingangsleistung in einem eigensicheren Stromkreis, die innerhalb eines elektrischen Betriebsmittels umgesetzt werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben. Das heißt, es darf hier kein eigensicherer Stromkreis mit höherer Leistung als Pi angeschlossen werden. 58 PHOENIX CONTACT

59 Anmerkung zu Ui, Ii und Pi: In der EG-Baumusterprüfbescheinigung sind oftmals nur ein oder zwei Angaben für Ui, Ii oder Pi zu finden. Hierdurch sind dann bei den nicht aufgeführten Begriffen keine Einschränkungen vorhanden, da in diesem Betriebsmittel eine weitere innere Begrenzung bereits vorgenommen wurde. Uo = Maximale Ausgangsspannung Die höchste Ausgangsspannung (Spitzenwert der Wechselspannung oder Gleichspannung) in einem eigensicheren Stromkreis, die unter Leerlaufbedingungen an den Anschlussteilen des elektrischen Betriebsmittels bei jeder angelegten Spannung bis zur maximalen Spannung einschließlich Um und Ui auftreten kann. Das heißt, Uo ist die höchste Leerlaufspannung, die im Fehlerfall bei der maximalen Versorgungsspannung an den Klemmen anliegen kann. Io = Maximaler Ausgangsstrom Der höchste Strom (Spitzenwert des Wechselstroms oder Gleichstroms) in einem eigensicheren Stromkreis, der den Anschlussklemmen des elektrischen Betriebsmittels entnommen werden kann. Das heißt, Io entspricht dem an den Anschlussklemmen maximal möglichen Kurzschlussstrom Ik. Po = Maximale Ausgangsleistung Die höchste elektrische Leistung in einem eigensicheren Stromkreis, die dem Betriebsmittel entnommen werden kann. Das heißt, bei einem Sensor oder Aktor, der an diesen eigensicheren Stromkreis angeschlossen wird, muss mit dieser Leistung z. B. bei der Erwärmung oder bei der Belastung in Bezug auf die zugehörige Temperaturklasse gerechnet werden. Co = Maximale äußere Kapazität Der höchste Wert der Kapazität in einem eigensicheren Stromkreis, der an die Anschlussteile des elektrischen Betriebsmittels angeschlossen werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben. Das heißt, dieses ist der Wert, den maximal alle außerhalb des Betriebsmittels wirkenden Kapazitäten erreichen dürfen. Die äußeren Kapazitäten setzen sich aus den Kabel- bzw. Leitungskapazitäten und den inneren Kapazitäten der angeschlossenen Betriebsmittel zusammen. Der Wert von Co ist bei einer linearen ohmschen Strombegrenzung abhängig von Uo. Siehe auch EN , Anhang A, Tabelle A2 und Bild A2 und A3. Lo = Maximale äußere Induktivität Der höchste Wert der Induktivität in einem eigensicheren Stromkreis, der an Anschlussteile des elektrischen Betriebsmittels angeschlossen werden kann, ohne die Eigensicherheit aufzuheben. Das heißt, dieses ist der Wert, den alle außerhalb des Betriebsmittels wirkenden Induktivitäten in Summe maximal erreichen dürfen. Die äußeren Induktivitäten setzen sich aus den Kabel- bzw. Leitungsinduktivitäten und den inneren Induktivitäten der angeschlossenen Betriebsmittel zusammen. Bei einer linearen ohmschen Strombegrenzung ist Lo abhängig von Io. Siehe auch EN , Anhang A, Bild A4, A5, A6. Cc = Kabel- bzw. Leitungskapazität Eigenkapazität eines Kabels oder einer Leitung. Sie ist vom Kabel oder der Leitung abhängig. Sie liegt im A llgemeinen zwischen 140 nf/km und 200 nf/km. Lc = Kabel- bzw. Leitungsinduk tivität Eigeninduktivität eines Kabels oder einer Leitung. Sie ist vom Kabel oder der Leitung abhängig und liegt im Allgemeinen zwischen 0,8 mh/km und 1 mh/km. Um = Maximaler Effektivwert der Wechselspannung oder maximale Gleichspannung Die höchste Spannung, die an die nichteigensicheren Anschlussteile der zugehörigen Betriebsmittel angeschlossen werden kann, ohne die Eigensicherheit zu beeinträchtigen. Der Wert von Um kann an den Anschlüssen eines Gerätes unterschiedlich sein, ebenso für Wechsel- und Gleichspannung. Das heißt, es kann z. B. bei der Versorgungsspannung ein Um = 250 V angegeben sein und beim Ausgang eine Um = 60 V. Gemäß EN , Absatz ist ebenfalls darauf zu achten, dass die Betriebsmittel, die an nicht-eigensichere Anschlussklemmen eines zugehörigen Betriebsmittel angeschlossen sind, nicht mit einer Speisespannung versorgt werden, die größer ist als die auf dem Typenschild des zugehörigen Betriebsmittels angegebene Um. Dieses bedeutet für das obige Beispiel: An die Versorgungsspannung des zugehörigen Betriebsmittels darf ein weiteres Betriebsmittel mit einer Speisespannung von bis zu 250 V angeschlossen sein. An den Ausgang des zugehörigen Betriebsmittels darf nur ein Betriebsmittel mit einer Speisespannung von bis zu 60 V angeschlossen werden. In = Sicherungsbemessungsstrom Der Bemessungsstrom einer Sicherung nach EN oder nach Angabe des Herstellers. Dieses ist der Nennstrom, der bei einer Sicherung angegeben ist. Ta bzw. Tamb = Umgebungstemperatur Die Umgebungstemperatur Ta oder Tamb muss auf dem Typenschild angegeben werden und in der Bescheinigung festgelegt sein, wenn sie außerhalb des Bereichs von -20 C und + 40 C liegt. Andernfalls wird die Bescheinigungsnummer um das Symbol X ergänzt. Ci = Maximale innere Kapazität An den Anschlussteilen wirksame Ersatzkapazität für die internen Kapazitäten des Betriebsmittels. Li = Maximale innere Induktivität An den Anschlussteilen wirksame Ersatzinduktivität für die internen Induktivitäten des Betriebsmittels. PHOENIX CONTACT 59

60 Immer aktuell, immer für Sie da hier finden Sie alles über unsere Produkte, Lösungen und Service: phoenixcontact.de Produktprogramm Beleuchtung und Signalisierung Elektronikgehäuse Elektronische Schaltgeräte und Motorsteuerung Feldbuskomponenten und -systeme Funktionale Sicherheit HMIs und Industrie-PCs I/O-Systeme Industrial Ethernet Industrielle Kommunikationstechnik Installations- und Montagematerial Kabel und Leitungen Leiterplattenklemmen und -Steckverbinder Markierung und Beschriftung Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Monitoring Reihenklemmen Relaismodule Schutzgeräte Sensor-/Aktor-Verkabelung Software Steckverbinder Steuerungen Stromversorgungen und USV Systemverkabelung für Steuerungen Überspannungsschutz und Entstörfilter Werkzeug Wireless-Datenkommunikation PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH Flachsmarktstraße Blomberg, Deutschland Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) [email protected] phoenixcontact.de PHOENIX CONTACT AG Zürcherstrasse Tagelswangen, Schweiz Tel.: +41 (0) Fax: +41 (0) [email protected] phoenixcontact.ch PHOENIX CONTACT GmbH Ada-Christen-Gasse Wien, Österreich Tel.: +43 (0) Fax: +43 (0) [email protected] phoenixcontact.at PHOENIX CONTACT s.à r.l. 10a, z.a.i. Bourmicht 8070 Bertrange, Luxemburg Tel.: Fax: [email protected] phoenixcontact.lu IC L3 Printed in Germany MNR / /04 PHOENIX CONTACT 2015