Energieautarke Schaltgeräte

Dipl.-Ing. Rainer Lumme

Unter dem Oberbegriff Energy Harvesting fasst man neue Technologien zusammen, mit denen man kleinere Energiemengen aus der Umgebung gewinnen kann – z. B. aus Vibrationen, aus Licht oder aus Wärmedifferenzen. Wissenschaftler rechnen damit, dass diese Technologien große Zukunft haben und Handys oder Fernbedienungen in nicht allzuferner Zeit ohne Akkus und Batterien auskommen, weil sie die benötigte Energie auf diese Weise selbst gewinnen.

In der Gebäudetechnik und der industriellen Automatisierung kann man heute schon von den Vorteilen des Energy Harvesting profitieren, denn es stehen Schaltgeräte zur Verfügung, die ein besonders energiearmes, dabei aber extrem stabiles und störunempfindliches Funkprotokoll nutzen. Das Signal wird dabei mit einer Stärke von nur 10 mW übertragen. Die Energie, die für die Übertragung eines vollständigen Funkbefehls benötigt wird, ist mit rund 50 µWs erheblich geringer als bei marktüblichen batteriebetriebenen Funkschaltern. Das schafft die Voraussetzung dafür, dass diese Schaltgeräte die zur Übertragung der Funksignale benötigte Energie selbst erzeugen – u. a. über eine Solarzelle mit integriertem Energiespeicher, der auch bei 48-stündigen Dunkelphasen eine einwandfreie Funktion des Schaltgerätes sicherstellt und in regelmäßigen Abständen ein Präsenzsignal an die Empfangseinheit sendet.

Bei der Entwicklung der ersten energieautarken Schaltgeräte für die Industrie konnte der steute-Geschäftsbereich Steuerungstechnik bereits auf die Erfahrungen des Geschäftsbereichs Medizintechnik zurückgreifen. Denn das Unternehmen entwickelt und fertigt für diesen sehr anspruchsvollen Anwendungsbereich kabellose Fußbedienpulte, die ihre Signale über ein modifiziertes und an die Sicherheitsanforderungen der Medizintechnik angepasstes Bluetooth-Signalprotokoll übertragen. Auf der Basis dieser Erfahrungen und der erwähnten energiearmen Funktechnologie entstanden Industrie-Schaltgeräte, die vollkommen ohne Kabel sowie ohne Akku und Batterie auskommen. Diese Technologie bewährte sich schnell – und es lag nahe, sie auch für den Exlosionsschutz nutzbar zu machen.

In explosionsgefährdeten Bereichen sind kabellose und energieautarke Schaltgeräte besonders sinnvoll einzusetzen, weil jede kabelgebundene Verbindung ein potenzielles Risiko darstellt. Zudem ist das Funksignal so energiearm, dass kein zündfähiger Funke entstehen kann – und die Schaltgeräte sind in der Lage, aus den explosionsgefährdeten Zonen »herauszufunken«, so dass man konventionelle Empfangsgeräte einsetzen kann und nicht auf spezielle (und teure) ex-geeignete Empfänger zurückgreifen muss. So erhöht die energieautarke Schalttechnik das Sicherheitsniveau und hilft zugleich beim Kosten sparen. Und da die Schaltgeräte im Sinne der einschlägigen Normen zum Explosionsschutz für den Einsatz in der Gas-Ex-Zone 2 als „nicht funkende Betriebsmittel“ gelten, sind keine Sicherheitsrisiken zu befürchten.

Die zweite Generation der energieautarken steute-Schaltgeräte nutzt einen elektrodynamischen Energiegenerator. Immer wenn man den Schaltstößel betätigt, wird kinetische Energie frei. Ein miniaturisierter Generator wandelt diese geringe Energiemenge in elektrische Spannung um, die das Sendemodul mit Energie versorgt. Da das Signal genau dann gesendet werden soll, wenn der Schaltstößel betätigt werden muss, benötigt man keinen Energiespeicher: ein ebenso einfaches wie effektives Prinzip. Und weil dieser Dynamo so kompakt ist, dass er sich im Gehäuse eines konventionellen Schalteinsatzes unterbringen lässt, verfügen die Schalter über die gleichen Abmessungen wie die kabelgebundenen Versionen.

Dieses „Kleinstkraftwerk“ wurde nun in verschiedene Bauarten von Ex-Schaltgeräten integriert, nachdem in eingehenden Prüfungen und intensiven Gesprächen mit den Zulassungsbehörden die prinzipielle Tauglichkeit der Technologie für den Explosionsschutz bestätigt wurde. Verfügbar sind die batterielosen Wireless-Ex-Schaltgeräte u. a. als konventioneller Positionsschalter, der beispielsweise die Position von Lineareinheiten oder Werkstückträgern überwacht. Auch energieautarke Zugschalter für explosionsgefährdete Bereiche wurden ins Programm aufgenommen. Sie kommen u.a. bei der Betätigung von Industrietoren zum Einsatz. Bei Fußschaltern bringt die Energieautarkie zusätzliche Vorteile für Arbeitssicherheit und Ergonomie, weil Kabel auf dem Fußboden als Stolperfallen dienen können und man die kabellosen Fußschalter freier positionieren kann als kabelgebundene. Schließlich gibt es auch Wireless Ex-Bedien- und Befehlsgeräte, zum Beispiel einen Drucktaster mit integriertem elektrodynamischem Energiegenerator.

Auf der SPS/ IPC/DRIVES stellte steute neben den Wireless Ex-Schaltgeräten u.a. auch eine Empfangseinheit für den Schaltschrank vor: Neben dem bisher verfügbaren vierkanaligen Empfänger gibt es damit auch eine einkanalige Empfangseinheit, die mit 35 mm Baubreite kompakter ist und sich für einfachere Anwendungen eignet. Der Empfänger ist mit drei verschiedenen Schaltausgängen lieferbar (Relaiskontakt und PNP- bzw. NPN-Halbleiterausgang); seine Firmware lässt sich kundenspezifisch programmieren.

Alle neuen Geräte sind für den Einsatz in den Zonen 2 und 22 (3G/ 3D) geeignet und entsprechend geprüft und gekennzeichnet. Die Versionen für den Einsatz in den Zonen 1 und 21 (2G/ 2D) befinden sich noch in der Prüfungsphase und werden voraussichtlich im zweiten Quartal 2008 zur Verfügung stehen.

Weil die Schaltgeräte auf die serviceintensiven Batterien von begrenzter Lebensdauer verzichten, spart der Anwender durch den Einsatz der neuen Wireless Ex-Geräte auch Serviceaufwand. Das ist in diesem sensiblen Bereich ein besonders zugkräftiges Argument, weil nur eine für diese Aufgabe befähigte und benannte Person Wartungsarbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen durchführen kann. Zudem entfallen Kabeleinführungen, Steckverbindungen und andere Verbindungselemente, die im Hinblick auf den Explosionsschutz hohe Anforderungen zu erfüllen haben.

cav 477

Produktpalette von Steute

Solids 2008

Energy Harvesting