Ohne Kabel zum Schaltgerät

Die Autoren: Dipl.-Ing. Rainer Lumme Produktmanager Geschäftsbereich Extreme, steute Schaltgeräte Andreas Schenk Produktmanager Geschäftsbereich Wireless, steute Schaltgeräte

Ohne Kabel zum Schaltgerät – das bringt gerade in der Prozessindustrie viele Vorteile, weil hier oft weite Distanzen zu überbrücken sind und die Elektroinstallation entsprechend aufwendig ist. Zudem müssen häufig Signale an Schaltgeräte übermittelt werden, die an rotierenden oder in irgendeiner Form mobilen Komponenten installiert sind oder sich an schlecht zugänglichen Anlagenteilen befinden. Dies betrifft auch Zonen, in denen die Anforderungen des Explosionsschutzes zu berücksichtigen sind. Hier wie auch in allen anderen Bereichen soll die Signalübertragung einfach, flexibel, kostengünstig, verschleißfrei und mit hoher Zuverlässigkeit erfolgen.

Diese Anforderungen erfüllt das kontinuierlich wachsende Programm des steute-Geschäftsbereichs Wireless. Das Programm startete schon vor einigen Jahren mit Geräten wie Türgriffschaltern und Positionsschaltern, die über ein 868 MHz-Funksignal mit der Empfangseinheit kommunizieren. Die Innovation bei diesen Geräten lag in der Art der Energiegewinnung: Sie erfolgte entweder über eine integrierte Miniator-Solarzelle, die auch zum Speichern von Energie in der Lage ist, oder über einen elektrodynamischen Energiegenerator.

Da das Funksignal mit lediglich 50 µWs übertragen wird (über eine Distanz von 30 m in Gebäuden und 300 m im Freifeld), benötigt man nur geringe Energiemengen zur Übertragung. Das schafft die Voraussetzung für die Generierung dieser Energie aus der Umgebung. Dennoch ist das Signal sehr störungsunempfindlich. Da bei der Betätigung des Schaltgerätes ein sehr kurzes Identifikationstelegramm gesendet wird, können auch mehrere Schaltgeräte in einem Raum installiert sein, ohne sich gegenseitig zu stören.

Die erste Generation der Wireless-Schaltgeräte bewährte sich in unterschiedlichen Einsatzbereichen, in einigen Anwendungen stieß sie jedoch an Grenzen. Denn der von EnOcean entwickelte Funkstandard war ursprünglich für die Gebäudetechnik entwickelt worden und fand dort rasch weite Verbreitung. In diesem Bereich genügt es vollkommen, wenn ein Schalter, der z. B. eine Lüftungsklappe überwacht oder mit dem ein Rolltor geöffnet wird, für 50 000 Betätigungen ausgelegt ist. In der Automatisierungs- und Prozesstechnik können aber bis zu 500 Betätigungsvorgänge pro Tag auftreten. Es galt also, Wireless-Komponenten mit höherer Lebensdauer zu entwickeln. Dies taten die Konstrukteure von steute.

In diesen Energy Harvesting-Schaltgeräten der zweiten Generation kommt u.a. ein elektrodynamischer Energiewandler zum Einsatz, der eine Lebensdauer von weit mehr als 1 Mio. Schaltzyklen aufweist. Darüber hinaus wünschten einige Anwender aus der Automatisierungs- und Prozesstechnik zusätzliche Funktionen, unter anderem eine bidirektionale Kommunikation zwischen Schalter und Empfangseinheit, d. h. konkret das Senden einer Empfangsbestätigung. Um diese Wünsche zu verwirklichen, entwickelte steute im vergangenen Jahr ein komplett neues Funksystem auf der Basis der 868 MHz-Technik. Dessen Platine ist kleiner, die bidirektionale Kommunikation ermöglicht eine nochmals höhere Übertragungssicherheit und die Reichweite ist ebenfalls deutlich höher: Im Freifeld werden 600 bis 700 m erreicht.

Eine Funktion kann das Energy Harvesting mit dem elektrodynamischen Energiewandler prinzipbedingt jedoch nicht erfüllen: Es können keine regelmäßigen Statussignale gesendet werden. Wenn dies gewünscht ist, empfiehlt sich der Einsatz von Wireless-Schaltgeräten mit extrem langlebigen Batterien. Das war ein weiterer Entwicklungsschritt. Die hier verwendeten Batterien können Standzeiten von bis zu zehn Jahren erreichen. Diese Technologie kommt u.a. in dem äußerst kompakten Funkschalter RC RF 10 zum Einsatz. Zudem ermöglicht die Energieversorgung durch Batterie auch die Entwicklung von kabellosen und berührungslosen Magnetschaltern mit Funk-Technologie.

Seit mehreren Jahren nutzt ein anderer steute-Geschäftsbereich, der Bediengeräte und -systeme für die Medizintechnik herstellt, bereits einen anderen Funkstandard auf 2,4 GHz-Basis, der den hohen Sicherheitsanforderungen der Medizintechnik entspricht. Auf der Grundlage dieser inzwischen bewährten Technik hat steute einen Kommunikationsstandard für Industrie-Anwendungen entwickelt, der gegenüber der 868 MHz-Technik u.a. den Vorteil kürzester Verbindungs- und Ansprechzeiten aufweist. Inzwischen stehen erste Geräte zur Verfügung, die diese Technologie nutzen – unter anderem Fußschalter.

In explosionsgefährdeten Bereichen der Prozesstechnik lässt sich die Wireless-Technologie des Energy Harvesting besonders sinnvoll einsetzen. Der Verzicht auf Batterien spart Kosten, denn die Wartung von Geräten in Ex-Bereichen kann nur von entsprechend qualifiziertem Personal durchgeführt werden. Zudem erlaubt die kabellose Signalübertragung den Verzicht auf zusätzliche Ex-Schutz-Komponenten wie Kabelverbindungen und Steckverbinder. Und die Schaltgeräte können – ganz ohne Kabel – aus dem Ex-Bereich „herausfunken“. Der Anwender muss somit keine aufwendige ex-geschützte Gehäusetechnik für die Empfangseinheit einsetzen.

Voraussetzung für die Nutzung des Energy Harvesting in Ex-Bereichen ist allerdings die Zertifizierung gemäß der Atex-Anforderungen. Die Schalter mit der „Wireless Ex“-Technologie sind in die Zündschutzart „eigensicher“ eingruppiert und gemäß EN 60097–11 für das Schutzniveau ib ausgelegt. Damit können sie normgerecht in Gas-Ex-Zone 1 eingesetzt werden. Für die Verwendung in Staub-Ex-Zone 21 wurden sie gemäß EN 61241–11 für die Zündschutzart ib D21 konzipiert. Die EG-Baumusterprüfbescheinigung einer benannten Stelle wurde erteilt.

Den Konstrukteuren und Anwendern von Maschinen für Ex-Bereiche stehen u.a. Fußschalter, Positionsschalter und Seilzugschalter mit „Wireless Ex“ zur Verfügung. Eine Besonderheit sind die Bedieneinheiten, die diese Technologie nutzen. Sie lassen sich flexibel an beliebiger Stelle montieren und demontieren. Zum Programm gehören Gehäuse für ein, zwei und drei Bedienelemente, wobei der Maschinenbauer aus einer großen Auswahl von Tastern, Leuchtmeldern etc. wählen kann. Somit kann man nicht nur in der allgemeinen Automatisierungs- und Prozesstechnik, sondern auch in explosionsgefährdeten Bereichen von den Vorteilen der Wireless Ex-Technologie profitieren.

Halle 7, Stand 491

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