Freie Antennenwahl im Ex-Bereich

Autor Stephan Schultz Produktmanager Automatisierung, R. Stahl

Längst hat die im Alltag verbreitete Funktechnik auch in die Prozess- und Fertigungsautomation Einzug gehalten. Das Spektrum sinnvoller Einsatzmöglichkeiten ist breit – es reicht von Lokalisierungssystemen zur Materialverfolgung in der Lagerhaltung bis hin zur umfassenden drahtlosen Anbindung von Sensoren und Aktoren in der Automation. Was Funksysteme attraktiv macht, liegt auf der Hand: Sie lassen sich flexibler handhaben und sind zudem meist kostengünstiger und mit geringerem Aufwand zu installieren als verkabelte Lösungen. Im Ex-Bereich gibt es jedoch besondere Einschränkungen. Zwar kann auch dort das elektromagnetische Feld eines Senders in der Regel nicht unmittelbar ein explosionsfähiges Gemisch entzünden, solange eine Funkquelle nicht gleich mehrere hundert Watt Sendeleistung erreicht. Leistungsbegrenzungen ergeben sich allein schon wegen der Funkvorschriften für das in der Regel genutzte 2,4-GHz-Band, sodass WLAN Access Points mit 100 mW, Bluetooth- und ZigBee-Geräte lediglich mit um die 10 mW senden. Dennoch bergen funkfähige Betriebsmittel wie WLAN Access Points, Mobilfunkkomponenten oder RFID-Leser elektrische Zündgefahren einschließlich transienter Spannungen in sich. In der Praxis besteht die Gefahr, dass in metallische Objekte oder unzureichend EMV-geschützte elektronische Schaltungen induzierte Ströme zu Funkenbildung führen.

Seit 2003 regeln in der Europäischen Union die Atex-Richtlinien den Geräteschutz in explosionsgefährdeter Atmosphäre. Auf internationaler Ebene gibt es mit der 2004 beschlossenen IEC EN 60079 eine Norm, die Schutzniveaus und Grenzwertanforderungen für Funksignale im Ex-Bereich definiert. Zusätzlich zur Einhaltung der Grenzwerte im Normalbetrieb fordert diese Norm eine Fehlerfallbetrachtung für solche Geräte, die in als Zone 1 klassifizierten Bereichen zum Einsatz kommen. Zu gewährleisten ist, dass sich auch Fehlfunktionen wie Kurzschlüsse, Nebenschlüsse oder Unterbrechungen nicht explosionsauslösend auswirken können. Nur wenige Funkanlagen, zum Beispiel der multinetzwerkfähige Funkpositionsschalter der Reihe 8074 von R. Stahl, sind ohne weitere besondere Maßnahmen zum Einsatz in Zone 1 zugelassen. Als wirtschaftliche Alternative hat sich daher die Kapselung von nicht Ex-zertifizierten Geräten in explosionsgeschützten Metallgehäusen etabliert. Explosionsschutzspezialisten wie R. Stahl stellen dafür ein breites Spektrum von Gehäusen zur druckfesten Kapselung (Ex d) oder Überdruckkapselung (Ex p) zur Verfügung. Durch diese Schutztechniken können Standardgeräte auf zeit- und kostensparende Weise ertüchtigt werden: Ihr Einschluss in druckfeste oder durch dauerhaften Überdruck gesicherte Gehäuse verhindert zuverlässig eine Explosionsgefahr in explosionsgefährdeten Bereichen der Zonen 1 und 2.

Weil die zur Kapselung dienenden Gehäuse zumeist aus Metall gefertigt sind, führt der prinzipiell mögliche Einschluss einer Antenne in das Gehäuse jedoch zu drastischen Einbußen bei der Funkleistung. Die für potenzielle Zündgefahren verantwortlichen elektromagnetischen Wellen der Antenne werden vom Gehäusematerial derart stark abgeschirmt, dass wirkungsvoll eigentlich nur Planarantennen aus dem Gehäuseinneren senden können. Die gerichtete Antenne muss hierzu hinter eine eingesetzte Schauglasscheibe platziert werden und verfügt somit nur über einen kleinen Abstrahlwinkel. Um derartige Leistungsminderungen in der Funkübertragung zu vermeiden, kann auf externe Antennen in explosionsgeschützter Ausführung ausgewichen werden. Antennen, die den Atex-Bestimmungen genügen, sind meist in der Schutzart Ex e (erhöhte Sicherheit) ausgeführt. Allerdings beschränkt sich die Auswahl auf wenige Modelle mit omnidirektionaler Abstrahlung. Diese Antennen sind nicht nur relativ hochpreisig, sondern auch unflexibel, was Planung, Installation und Wartung betrifft. Denn sie müssen entweder direkt mechanisch mit dem Gehäuse verbunden oder über ein Koaxialkabel ohne Steckverbindungen angeschlossen werden. Wegen der festen Kabellänge und fehlender Steckverbinder lässt sie sich nur stark eingeschränkt variabel positionieren und nur mit größerem Aufwand warten oder austauschen.

Mit dem HF-Isolator der Serie 9730 von R. Stahl steht nun ein innovatives Konzept für den Funkbetrieb im Ex-Bereich zur Verfügung, das bei einer nur geringen Einfügedämpfung für die erwünschte Flexibilität des Funksystems sorgt. Der Isolator verhindert durch galvanische Trennung, dass durch fehlerhafte Zustände des Funkgerätes Versorgungsströme an die Antenne übertragen werden. Die Funkanlage kann nun mit jeder beliebigen industrietauglichen Antenne betrieben werden, da der Trenner statt des Ausgangssignals ein Signal an die Antenne übermittelt, das in der explosionsgefährdeten Atmosphäre zuverlässig auf ein eigensicheres Niveau (Ex ia IIC) begrenzt bleibt. Damit werden unter allen Umständen Zündgefahren durch das Signal direkt neutralisiert. Der HF-Isolator gewährleistet zudem nicht nur höhere Sicherheit, sondern vereinfacht auch die Handhabung bei der Installation und im Betrieb: Das funkfähige Gerät und die Antenne müssen nicht mehr durch eine unflexible feste Leitung verbunden werden, sondern die Kabel können gesteckt werden. Sofern erforderlich ist außerdem die Installation eines Überspannungsschutzes zwischen Gerät und Antenne ohne Probleme möglich. Der HF-Isolator kann bei Umgebungstemperaturen von -60 °C bis +80 °C betrieben werden. Er ist auf die ISM-Frequenzbänder um 900 MHz, 2,4 GHz und 5 GHz ausgelegt und unterstützt alle in der Industrie gängigen drahtlosen Übertragungsstandards (WLAN 802.11 a/b/g/n; WirelessHart; ISA 100.11a; Bluetooth; ZigBee; EnOcean).

Halle 11.1, Stand C 45

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