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Minikraftwerke an Bord

Kabellose, energieautarke Schaltgeräte in explosionsgeschützter Ausführung
Minikraftwerke an Bord

Wireless Automation und Explosionsschutz – das sind zwei anspruchsvolle Themenfelder der Industrieautomation, die aber durchaus kompatibel sind, zumal kabellose Schaltgeräte gerade in explosionsgefährdeten Bereichen Vorteile bringen. Denn ihr Einsatz erlaubt den Verzicht auf aufwendige Verdrahtungen und das Herausfunken der Signale aus dem Ex-Bereich. Für diese Anwendungsfälle kann der Maschinen- und Anlagenbau das Prinzip des Energy Harvesting nutzen.

Dipl.-Ing. Rainer Lumme

Die von Steute entwickelten energieautarken Schaltgeräte kommen inzwischen in vielen Bereichen der Steuerungstechnik und Gebäudetechnik zum Einsatz. Sie übertragen das Schaltsignal über Funk und generieren die Energie, die dazu nötig ist, nach dem Prinzip des Energy Harvesting aus der Umgebung – zum Beispiel über eine miniaturisierte Solarzelle mit integriertem Energiespeicher oder über einen elektrodynamischen Energiegenerator, der die Bewegung des Schaltstößels in elektrische Energie umwandelt. Dieser Minidynamo ist im Gehäuse verborgen, dennoch ist die Wireless-Technologie auf den ersten Blick sichtbar: Wo konventionelle Ex-Schaltgeräte eine Kabelverbindung haben, ist bei den Funk-Schaltgeräten ein 32 mm langes Antennenmodul angebracht.
Das Programm dieser Schaltgeräte wird kontinuierlich erweitert. Zurzeit stehen u.a. energieautarke Positionsschalter, Fußschalter, Zugschalter und Türgriffschalter zur Verfügung. Das außerordentlich störunempfindliche Signal hat eine Reichweite von 300 m im Außenbereich und 30 m in geschlossenen Räumen.
Energy Harvesting in Ex-Bereichen
In einem zweiten Schritt wurde in den vergangenen Monaten diese Technologie für explosionsgefährdete Bereiche nutzbar gemacht. Hier bietet das Energy Harvesting zusätzliche Vorteile. Der Verzicht auf Batterien spart Kosten, denn die Wartung von Geräten in Ex-Bereichen kann nur von entsprechend qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Und die Schaltgeräte können – ganz ohne Kabel – aus dem Ex-Bereich herausfunken. Der Anwender muss somit keine ex-gerechte Empfangseinheit einsetzen.
Aufgrund einer Begrenzung der vom Energiegenerator erzeugten Spannung lässt sich der komplette Funk-Schalter in die Zündschutzart „eigensicher“ eingruppieren. Um die energieautarken Funk-Schaltgeräte normengerecht und sicher in der Gas-Ex-Zone 1 betreiben zu können, sind sie gemäß DIN-EN 60097-11 für das Schutzniveau ib ausgelegt. Ebenso können sie in der Staub-Ex-Zone 21 ein-gesetzt werden. Dafür wurden sie gemäß DIN EN 61241-11 für die Zündschutz- art iD konzipiert. Die entsprechende EG-Baumusterprüfbescheinigung einer Benannten Stelle steht ab Juli 2008 zur Verfügung.
Zu den ersten Ex-Schaltgeräten, die kabellos und energieautark arbeiten, gehören die universell einsetzbaren Ex-Positionsschalter der Baureihe EEx 95 F. Bei dem Befehlsgerät EExF 95 RS SW wird der Bediener nach dem Prinzip des Energy Harvesting jetzt selbst zur Energiequelle. Denn der miniaturisierte elektrodynamische Energiegenerator, der in den Schalteinsatz des Gerätes integriert ist, erzeugt beim Betätigen des Drucktasters genau die Energiemenge, die zum Übertragen eines Funksignals benötigt wird. Damit wird das Befehlsgerät unabhängig von der Energieversorgung.
Da sich der EExF 95 RS SW für den Standard-Einbaudurchmesser von 22,5 mm und das Einbaurastermaß von 30 mm eignet, kann er flexibel montiert werden – z. B. auch an seitlich verschiebbaren Schutztüren oder an beweglichen Maschinenkomponenten, bei denen die Installation von kabelgebundenen Befehlsgeräten sonst nur mit zusätzlichen Bauteilen und größerem Aufwand möglich ist.
Obwohl das Funksignal nur eine geringe Energiemenge aufweist, ist es extrem unempfindlich gegenüber Störungen, wie sie in der rauen industriellen Umgebung oft unvermeidlich sind. Die Codierung der Signale gewährleistet eine eindeutige Zuordnung zwischen Befehlsgerät und Empfangseinheit.
Neu im Programm der kabellosen Ex-Schaltgeräte ist auch der Fußschalter EExF GF(S)I, bei dem der Energiegenerator durch die Betätigung des Pedals mit Energie versorgt wird. Bei dieser Schalterbauart bietet das Energy Harvesting einen weiteren Pluspunkt mit Blick auf Arbeitssicherheit und Ergonomie. Denn das Kabel konventioneller Fußschalter kann schnell zur Stolperfalle werden und damit zur Gefahr für den Bediener. Außerdem kann das Kabel nicht die Beweglichkeit des Fußschalters beeinträchtigen. Trotzdem bleibt die Zuordnung der Signale zwischen Fußschalter und Empfangseinheit auch beim Einsatz mehrerer Geräte eindeutig, denn die Signale sind codiert.
Abgesehen von der innovativen Art der Energiegenerierung zeichnen sich die Wireless-Ex-Fußschalter durch eine ergonomische Pedalform und ein robustes Metallgehäuse aus. In der GFSI-Version gehört eine Schutzhaube mit großer Öffnungsweite zum Lieferumfang.
Technologie auch für Nischenprodukte verfügbar
Auch für Nischenprodukte im Ex-Schalterprogramm steht die Energy Harvesting-Technologie zur Verfügung. Dies gilt u.a. für Zugschalter, die an vielen Rampen und Durchgangsbereichen in Produktion und Lager zum festen Inventar gehören. Ein Zug am Seil – und das Rolltor öffnet sich für Fußgänger ebenso wie für den Staplerfahrer.
So praktisch dieser Schalter in konventioneller Ausführung auch ist: Seine Installation war bislang aufwändig, weil man bis zur Decke Kabel für die Signalleitung verlegen musste. Und wenn es sich um explosionsgefährdete Bereiche handelt, sind dabei besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, zudem muss man geeignete Verbindungselemente einsetzen.
Mit dem EExF 95 WH 90o lassen sich Zugschalter in Ex-Zonen wesentlich einfacher realisieren, denn man kann auf das Verlegen der Kabel bis zur Decke verzichten. Zudem kann der Schalter bei Bedarf einfach versetzt werden. Auch auf der Empfangsseite der kabellosen Wireless-Schaltgeräte gibt es Neuheiten. Bislang standen schon ein- und vierkanalige Empfangseinheiten für den Schaltschrankeinbau zur Verfügung. Falls ein Anwender höhere Reichweiten als 30 m im Innenbereich und 300 m auf Freiflächen wünscht oder wenn die Umgebungsbedingungen z. B. durch viele Reflexionsmöglichkeiten (metallische Flächen) ungünstig sind, kann er nun einen Funk-Repeater einsetzen, der die Funksignale weiterreicht.
Herzstück des Repeaters ist eine Transceiver-Einheit, die sämtliche Funksignale von energieautarken Steute-Schaltgeräten empfängt und weiterleitet. Damit lässt sich die Reichweite der Signale verdoppeln. Das kompakte Modul, das mit 24 V Versorgungsspannung arbeitet, kann per Hutschienenmontage in vorhandene Schaltschränke integriert werden, die Antenne wird dann außen am Schaltschrank platziert. Der Repeater muss nicht eingelernt oder separat in Betrieb genommen werden, er arbeitet vielmehr nach dem Prinzip des Plug and play. Mit diesem Modul werden die Möglichkeiten der energieautarken Schaltgeräte nochmals erweitert, und in naher Zukunft wird Steute auch weitere Baureihen von Wireless-Ex-Schaltgeräten vorstellen, die nach dem Prinzip des Energy Harvesting arbeiten.
cav 430

Haus der Technik: Energy Harvesting
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