Bustechnik im Ex-Bereich

Bisher ging man davon aus, dass in explosionsgefährdeten Bereichen nur eigensichere Bussysteme zum Einsatz kommen würden. Inzwischen haben verschiedene Hersteller jedoch gezeigt, dass auch der genormte Profibus DP und DPV1 in der Zone 1 benutzt werden kann.

Im explosionsgefährdeten Bereich unterliegen alle Betriebsmittel den Auflagen der Atex-Richtlinien. Dazu gehört bei der Bustechnik mit Remote IO auch die Datenübertragung über den Profibus oder Modbus. Im nicht explosionsgefährdeten Bereich wird für die Kommunikation der genormte RS485-Bus verwendet. Dieser Bus verwendet hohe Signalpegel, um eine möglichst große Störsicherheit auch in industrieller Umgebung sicherzustellen (Bild 1).

Im Ex-Bereich wurden statt des RS485-Busses vielfach eigensichere Busverbindungen gewählt. Diese haben jedoch wegen der mit der Eigensicherheit verbundenen Strom- und Spannungsbegrenzungen geringere Signalpegel als der nicht eigensichere RS485-Bus. Letzterer ist jedoch auch im Ex-Bereich verwendbarm, wenn der Anschluss der Busteilnehmer über die Zündschutzart “erhöhte Sicherheit” erfolgt. Durch einen separaten Klemmenraum für die Bussignale und die Stromversorgung bleiben die einzelnen Module – genau wie eigensichere Module – auch während des Betriebes austauschbar. Dies ist für den Anwender der entscheidende Punkt. Alle Handgriffe an den eigensicheren Stromkreisen der Ein- und Ausgangssignale sind bei laufendem Betrieb ohne Heißarbeitserlaubnis zulässig.

Da der RS485-Bus in erhöhter Sicherheit nicht den Begrenzungen der Eigensicherheit unterliegt, ist auch kein Nachweis der Eigensicherheit für die Zusammenschaltung der Busstationen an einem gemeinsamen Busstrang erforderlich. Die Zahl der Stationen an einem Bus ist auch nicht durch die Eigensicherheit auf zehn begrenzt, sondern darf die der RS485-Norm entsprechenden 31 Teilnehmer voll ausnutzen. Zudem dürfen an dem Bus in erhöhter Sicherheit Teilnehmer verschiedener Hersteller auch außerhalb des Ex-Bereiches am selben Busstrang betrieben werden, so dass keine Trennung der Buslinien erforderlich ist. Damit lassen sich Anlagenstrukturen leichter gemäß den Betriebserfordernissen aufbauen.

Der Profibusausgang des Leitsystems wird direkt an den Ex-e-Bus mit Zugang zur Zone 1 angeschlossen. Damit entfallen die sonst in eigensicheren Systemen erforderlichen Sicherheitsbarrieren an der Koppelstelle zwischen Leitsystem und Feldbus. Von Vorteil ist auch, dass die Länge der Busleitung nur durch die RS485-Norm in Abhängigkeit von der Übertragungsrate begrenzt ist. So können je nach Baudrate bis zu 1000 m Busausdehnung erreicht werden. Eine Berücksichtigung der induktiven und kapazitiven Belastungen durch die Leitungslänge, wie bei eigensicheren Kreisen üblich, ist nicht erforderlich.

Bei eigensicheren Bussystemen wird oft als Vorteil ins Feld geführt, dass Erweiterungen der Buslinie auch bei laufendem Betrieb vorgenommen werden können. Sollte es erforderlich sein, ganze Stationen an einem Busstrang zu ergänzen, so dürfen eigensichere Systeme unter folgenden Bedingungen erweitert werden:

Die Forderung nach einer unterbrechungsfreien Fortsetzung des Busbetriebes während einer Erweiterung der Anlage setzt voraus, dass der vorgesehene Einbauort für den eigensicheren Teilnehmer bereits über einen Parallelabgriff verfügt. Ohne diesen Verzweigungspunkt muss die Busleitung aufgetrennt und damit der Betrieb unterbrochen werden.

Auch bei nicht eigensicheren Bussystemen sind Erweiterungen bei laufendem Betrieb prinzipiell möglich. Dabei muss jedoch streng darauf geachtet werden, dass entweder während der Arbeiten keine explosive Atmosphäre vorhanden ist, oder dass bei den Arbeiten keine Zündquellen entstehen. Dies gilt übrigens auch für den Anschluss der Hilfsenergie bei eigensicheren Bussystemen.

Mit Hilfe von Gas-Spürgeräten kann die Abwesenheit einer explosiven Atmosphäre nachgewiesen und damit ein Feuererlaubnisschein (Heißarbeitserlaubnis) erteilt werden. Besser ist es jedoch, die Zündquellen im Servicefall von vornherein auszuschließen. Die Abzweigstelle kann beispielsweise mit einem druckfesten Schalter stromlos geschaltet werden oder über speziell für den Ex-Bereich zugelassene Bus- und Hilfsenergiestecker verbunden werden (Bild 2). Dieses Verfahren bietet dem Anwender dieselben Vorteile, wie sie bei eigensicheren Bussystemen vorliegen.

Neben Profibus und Modbus haben in den letzten Jahren der Profibus PA und der Foundation Fieldbus an Bedeutung gewonnen. Im Gegensatz zu Remote IO-Systemen verbinden diese Busse nicht mehr konventionelle Signale von Feldgeräten mit dem Leitsystem, sondern nur rein digital vorliegende Informationen. Gleichzeitig erfolgt die Energieversorgung der dafür geeigneten Feldgeräte über diesen Kommunikationsbus.

Für Anwendungen im Ex-Bereich ist auch für diese Bussysteme die Schutzart „Eigensicherheit” vorgesehen. Dies bringt für die Nutzung der Feldbusse einige Einschränkungen mit sich, die in der erforderlichen Energiebegrenzung begründet sind. So stehen für die Busversorgung nur 100 mA und ca. 19 V zur Verfügung. Feldgeräte haben eine genormte Mindeststromaufnahme von 10 mA. In der Praxis ist der Verbrauch bei einigen Geräten jedoch etwas höher, die durchschnittliche Stromaufnahme liegt bei 15 mA. Damit können am eigensicheren Bus nur sechs Feldgeräte betrieben werden. Für 600 Feldgeräte werden also 600 Busse mit einer gleich großen Zahl von DP/PA-Kopplern oder FF Hosts benötigt.

Hier sorgt ein spezieller Baustein, die Multibarriere, für Abhilfe. Die Multibarriere teilt den nicht eigensicheren Bus in erhöhter Sicherheit im explosionsgefährdeten Bereich der Zone 1 in vier eigensichere Stichleitungen auf. Sie reduziert die Anzahl der Busleitungen und senkt damit die Kosten. Bild 3 zeigt die Möglichkeit, über einen einzigen Bus mit Hilfe von drei dieser Baugruppen bis zu 18 Teilnehmer eigensicher anzuschließen. Die Zahl der Busse und somit der DP/PA-Koppler oder Fieldbus Hosts reduziert sich damit um 66 %. Dies führt allein durch die Einsparungen der früher benötigten Hardware auch unter Berücksichtigung der benötigten Multibarrieren zu einer Kostenersparnis von ca 16 %. Weitere Ersparnisse sind durch die geringeren Verdrahtungs- und Planungsaufwendungen zu erwarten. In Kombination mit dem oben erwähnten Steckverbinder kann auch hier der Bus in erhöhter Sicherheit bei laufendem Betrieb ohne Heißarbeitserlaubnis mit neuen Multibarrieren ausgestattet werden.

cav 405