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Schnell abschalten statt begrenzen

Eigensicherheit für Anwendungen mit hoher Leistung
Schnell abschalten statt begrenzen

DART steht für Dynamic Arc Recognition and Termination und ist eine dynamische Methode des eigensicheren Explosionsschutzes. Die Technologie überwindet die bisherigen Leistungsgrenzen eigensicherer Stromversorgungen und erlaubt Nutzleistungen bis zu 50 W. Eigensicherheit mit DART überzeugt dort, wo existierende Methoden des Explosionsschutzes einfache Arbeitsabläufe erschweren bzw. behindern oder bei denen die Kosten für den Explosionsschutz vergleichsweise hoch sind. Pepperl+Fuchs entwickelt derzeit zwei unterschiedliche Varianten: DART-Power und DART-Fieldbus.

Dipl.-Ing./MBA Andreas Hennecke

Für die Prozessindustrie war Dynamic Arc Recognition and Termination eines der großen Themen auf der Hannover Messe 2008. Während Eigensicherheit bisher immer die elektrische Leistung auf der Leitung unterhalb der Zündgrenzkurven gewährleisten musste, erlaubt DART die Einspeisung sehr viel größerer Leistungen – bis zu 50 W Wirkleistung lassen sich damit eigensicher in explosionsgefährdete Bereiche einspeisen. Die beiden Varianten, DART-Power und DART-Fieldbus, schaffen nicht nur die Voraussetzung, um viele existierende Anwendungen mit einer eigensicheren Energieversorgung auszustatten. Sie erschließen auch neue Einsatzbereiche, bei denen der Explosionsschutz bisher mit erheblichem Aufwand und Kompromissen bei den Arbeitsabläufen verbunden war.
DART ist das Ergebnis eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit geförderten Forschungsprojektes, an dem Pepperl+Fuchs maßgeblich beteiligt war. Da es einem Hersteller allein jedoch nicht gelingen wird, der Technologie auf breiter Basis zum Durchbruch zu verhelfen, wird die Technologie in Lizenzmodellen Branchenteilnehmern und Wettbewerbern zur Verfügung gestellt. Die Technologie befindet sich derzeit in der letzten Entwicklungsphase. Erste Produkte erwartet Pepperl+Fuchs noch in 2009.
Das Wirkprinzip
Traditionell wird für die sichere Verhinderung eines zündfähigen Funkens die zur Verfügung stehende Leistung auf etwa 2 W begrenzt. Dadurch ist die Schutzart Ex i auf die Bereiche Mess- und Regeltechnik sowie die Stromversorgung von Aktoren und Sensoren mit niedrigen Anschlussleistungen limitiert.
Bei einem mittels DART gesicherten Stromkreis lassen sich im Ex-Bereich Feldgeräte mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 50 W eigensicher versorgen. Im Normalzustand fließt der elektrische Strom unbegrenzt. DART erkennt eine Störung des elektrischen Systems bereits im Ansatz und schaltet ab, noch bevor die im Fehlerfall freigesetzte Energie eine sicherheitskritische Stärke erreicht.
Die Grundlage dafür bildet der Effekt, dass jede Funkenbildung zu einer sehr charakteristischen und damit sicher detektierbaren sprunghaften Stromänderung innerhalb eines Stromkreises führt. Im Gegensatz zu schnell schaltenden und allein auf Unterspannung auslösenden Systemen, reagiert DART auf die Stromänderung erst ab einer kritischen Höhe. Damit können alle möglichen Fehler, die zu einer Funkenbildung führen, sicher erkannt und beherrscht werden. Die dem Verfahren zugrunde liegende Physik ist dabei so einfach, wie eindeutig:
  • das charakteristische elektrische Signal des entstehenden Funkens
  • die Wellengeschwindigkeit von mehr als 160 000 km/s, mit der dieses Signal über das Kabel zur Stromversorgung läuft
  • der elektronische Schalter, der innerhalb von Mikrosekunden auslöst
Aus der Wellengeschwindigkeit ergibt sich die sehr kurze, aus sicherheitstechnischer Sicht zu betrachtende Signallaufzeit. Diese ist etwa proportional zu der im Kabel gespeicherten Energie, die im Fehlerfall aus dem elektrischen System entweichen kann. Daraus ergibt sich, dass die Leitungslänge einen wesentlichen Einfluss auf die zur Verfügung stehende Leistung hat. DART erfüllt damit die Spezifikation eines eigensicheren Stromkreises nach IEC 60079-11 (Explosionsfähige Atmosphäre – Teil 11: Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“)
Alternative Prüfverfahren
Die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig hat in Untersuchungen ermittelt, dass die heute dokumentierten Prüfmethoden zum Nachweis der Eigensicherheit, wie das Funkenprüfgerät für dynamisch agierende Quellen, unzulänglich sind: Das Funkenprüfgerät erzeugt kontinuierlich eine hohe Anzahl Funken, und die vom Prüfling gesendete Energie darf keinesfalls zu einer Zündung führen. DART würde in diesem Prüfungsfall stets abgeschaltet bleiben. Verschiedene Lösungsansätze wurden von der PTB entwickelt, die zu folgenden Prüfmethoden führten:
  • Eine Variante des Funkenprüfgerätes stellt stets sicher, dass die dynamisch agierende Quelle mit voller Leistung arbeitet, bevor ein Funken erzeugt wird
  • Ein elektronischer Funkensimulator sowie die zugehörigen Prüfverfahren: Hier wird das elektrische Verhalten eines auftretenden Fehlers simuliert
Der Funkensimulator könnte auch von Herstellern zur Produktentwicklung eingesetzt werden und damit die zeit- und kostenintensive Zertifizierung deutlich verkürzen. Die Prüfungsmethoden werden in den aktuell laufenden Normenzyklus eingebracht.
Zwei Varianten
Das Konzept spielt seine Vorteile dort aus, wo existierende Methoden des Explosionsschutzes einfache Arbeitsabläufe erschweren oder behindern oder bei denen die Kosten für den Explosionsschutz vergleichsweise hoch sind. Pepperl+Fuchs entwickelt derzeit zwei unterschiedliche Versionen:
  • DART-Power ist für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen gedacht und erlaubt Leistungen von bis zu 50 W bei einer Kabellänge von 100 m
  • DART-Fieldbus ist für maximale Kabellänge optimiert und erlaubt den Anschluss von bis zu zwanzig Feldbus-Instrumenten an ein Segment
Die Variante DART-Power ist auf eine maximale Leistungsübertragung und einfache Adaption in die verschiedensten Applikationen getrimmt. Die Topologie eines DART-Power-Stromkreises ist mit den Komponenten Energieversorgung, Leitung sowie dem Verbraucher mit integriertem Entkopplungsmodul bewusst einfach gehalten.
Mit DART-Power können Geräte mit höherem Leistungsbedarf ohne spezielle und aufwändige Sicherheitsmaßnahmen bei der Installationstechnik in der Schutzart Eigensicherheit mit Energie versorgt werden. Dies sind Instrumente wie magnetische Ventilsteuerungen und Durchflussmesser, Waagen, Analyse- und Alarmgeräte, Bedienterminals und sogar komplette PCs. Auch das Design des Verbrauchers kann in der Schutzart Eigensicherheit erfolgen.
Von Anwendern wird häufig die vollständig eigensichere Auslegung des eingesetzten Feldbuses (Profibus PA und Foundation Fieldbus H1) gewünscht. Die Schutzart Eigensicherheit schränkt die Anwendbarkeit allerdings bezüglich der Anzahl anschließbarer Teilnehmer und Kabellängen erheblich ein.
Der Trunk wird mit DART geschützt, während die Energiebegrenzung an den Anschlussleitungen in klassischer Eigensicherheit konform nach Entity und Fisco, zwei in IEC 60079 beschriebenen speziell für den Feldbus entwickelten Varianten der Eigensicherheit, erfolgt. Da nahezu jedes eigensichere Feldgerät Entity- oder Fisco-konform zur Verfügung steht, ist die Kompatibilität mit der installierten Basis sichergestellt. DART stellt dabei eine Anschlussleistung von 8 W bei 1000 m Leitungslänge zur Verfügung, die heute nur mit dem High-Power-Trunk-Konzept, bei der der Trunk in erhöhter Sicherheit ausgeführt werden muss, realisiert werden kann. DART bietet die vollständige Eigensicherheit des Feldbussegments und ist damit die logische Weiterentwicklung des heute etablierten High-Power-Trunk-Konzeptes.
Anwendungen in der Diskussion
Im Rahmen einer Technologieausstellung zur Interkama+ in Hannover diskutierten Experten von Pepperl+Fuchs mit Herstellern, Endanwendern und Zertifizierungsstellen über die Vorteile von DART bei Anwendungen, bei denen die Gewährleistung des Explosionsschutzes bisher mit einem erheblichen Installationsaufwand und anderen Nachteilen verbunden war.
Ein typisches Beispiel ist die Analysetechnik in biochemischen Anlagen mit verfahrbaren Prozesstanks. Hierbei wird die erforderliche Sensorik bisher häufig in speziellen Bypass-Rohren in erhöhter Sicherheit fest installiert. Mit DART könnte die Messung direkt im Medium erfolgen: Sensoren würden dafür in die Tanks integriert und können im laufenden Betrieb angeschlossen werden. Das Bypass-Rohr und dessen Installation werden dadurch überflüssig. Wichtiger als die Investitionskostenersparnis sind den Anwendern die verringerten Betriebskosten: Die Reinigung der Rohre entfällt und die Messgenauigkeit wird besser.
Diskutiert wurde auch der Ersatz von Vierleitertechnik durch die eigensichere Zweileitertechnik: Feldgeräte mit einem höheren Leistungsbedarf, beispielsweise können Waagen oder Coriolis-Durchflussmesser mit DART versorgt werden. Ebenso profitieren Ventilinseln mit Feldbusanschaltung von der einfacheren Installationstechnik. Eine Vorstufe für die Ansteuerung von Ventilen höherer Leistung wird überflüssig oder die Ventile können wegen des höheren Spulenstroms schneller schalten. Bei Pepperl+Fuchs entsteht neben der Feldbuslösung auch ein Bedienterminal mit eigensicherer Ethernet-Schnittstelle und eigensicherer Stromversorgung.
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