Sicherheitsbarrieren verstehen – zum Schutz Ihrer Anlagen in Ex-Bereichen

Sicherheitsbarrieren (auch genannt Zenerbarrieren) werden eingesetzt um eigensichere Stromkreise (Ex i) und nicht-eigensichere Stromkreise zu verbinden, etwa Ex-i-Feldgeräte mit Automatisierungssystemen. Dabei können sowohl Standardsignale wie 4…20 mA als auch weniger übliche Signale verarbeitet werden. Für viele Anwendungsfälle gibt es Sicherheitsbarrieren die speziell dafür entwickelt wurden.

Die Barrieren begrenzen mit Hilfe einer Kombination von Zenerdiode, Widerständen und Sicherungen die elektrische Energie, die bezüglich ihres Erdanschlusses in den explosionsgefährdeten Bereich gelangt. Sicherheitsbarrieren zeichnen sich durch einen sehr breiten Anwendungsbereich aus.

Sicherheitsbarrieren werden als preiswerte Trennstufen ohne galvanische Trennung zwischen eigensicheren und nicht eigensicheren Stromkreisen eingesetzt. Sie haben die Aufgabe, Stromkreise (d. h. Kabel und Betriebsmittel) zu schützen, die in explosionsgefährdeten Bereichen installiert sind.

Sicherheitsbarrieren sind sogenannte zugehörige Betriebsmittel. Ein eigensicherer Stromkreis besteht immer aus einem eigensicheren Betriebsmittel (Feldgerät) und einem zugehörigen Betriebsmittel (Sicherheitsbarriere, Trennstufe, Remote I/O, usw.). Als zugehöriges Betriebsmittel bilden Sicherheitsbarrieren die Brücke zwischen dem eigensicheren und nicht eigensicheren Stromkreis. Je nach Anwendung kann es notwendig sein mehrere Geräte in einer Zusammenschaltung zu verwenden.

Da sie auch nicht eigensichere Stromkreise enthalten, müssen Sicherheitsbarrieren entweder außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches oder bei entsprechender Zertifizierung in Zone 2 / Division 2 errichtet werden. Der Einsatz einer weiteren Zündschutzart (z.B. Druckfeste Kapselung) erlaubt die Installation der Sicherheitsbarrieren in Zone 1.

Sicherheitsbarrieren haben die Aufgabe, die in einen eigensicheren Stromkreis eingespeiste Leistung so zu begrenzen, dass weder durch Funken noch durch thermische Effekte (heiße Oberflächen) eine Zündung erfolgen kann. Hierzu enthält eine Sicherheitsbarriere 3 wesentliche Elemente:

• Zenerdiode zur Spannungsbegrenzung
• Widerstand oder Halbleiterbauelement zur Strombegrenzung
• Sicherung zum Schutz der Zenerdiode

R. STAHL Sicherheitsbarrieren der Reihen 9001, 9002 und 9004 enthalten außerdem eine Schutzschaltung mit einer von außen zugänglichen auswechselbaren Vorsicherung, welche die nicht zugängliche intern vergossene Sicherung der Sicherheitsbarriere schützt. Die Schutzschaltung verhindert, dass beide Sicherungen gleichzeitig ansprechen.

Um das komplette Spektrum der Anwendungen in der Automatisierungstechnik abzudecken, haben einige Sicherheitsbarrieren Funktionsblöcke wie z. B. elektronische Strombegrenzung, Verstärkung usw.

Potentialdifferenzen können die Eigensicherheit aufheben und damit den Explosionsschutz unwirksam werden lassen, da Sicherheitsbarrieren keine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang haben. Alle (nationalen) Standards für die Errichtung eigensicherer Stromkreise verlangen daher:

• das Vorhandensein eines Potentialausgleichs bzw. Erdungssystems sowie
• den Anschluss von Sicherheitsbarrieren an diesen Potentialausgleich

Sicherheitsbarrieren von R. STAHL können alternativ entweder direkt über die elektrisch leitende Aufschnappmechanik oder mittels der / PA-Klemme mit dem Potentialausgleich verbunden werden.

Aus elektrischen oder messtechnischen Gründen kann es vorkommen, dass eine erdfreie Schaltung notwendig ist. Eine erdfreie Schaltung kann im Allgemeinen durch den Einsatz einer Zwei-Kanal-Sicherheitsbarriere oder durch Zusammenschalten von zwei Ein-Kanal-Sicherheitsbarrieren realisiert werden.

Stromkreis geerdet

Stromkreis erdfrei

Auch wenn die Schaltung „erdfrei“ ist oder die Sicherheitsbarriere mithilfe der als Zubehör verfügbaren Klemmfüße isoliert von der DIN-Schiene aufgebaut wurde, müssen Sicherheitsbarrieren immer an / PA angeschlossen werden.

Ebenso muss sichergestellt sein, dass die Verbindung zu / PA weniger als 1 Ω beträgt. Nationale Vorschriften können höhere Anforderungen fordern.

R. STAHL Sicherheitsbarrieren der Reihen 9001, 9002 und 9004 zeichnen sich durch eine besonders einfache Montagemöglichkeit aus. Sie werden ohne Montagezusatz auf eine 35 mm DIN-Schiene (NS 35/15) direkt aufgeschnappt.

Gleichzeitig wird dadurch eine leitende Verbindung zwischen dem  / PA-Anschluss der Sicherheitsbarriere und der Schiene hergestellt. Die Erdung mehrerer Sicherheitsbarrieren erfolgt durch Verbinden der Schiene mit dem eigentlichen Potentialausgleich / Erdungssystem (Sammelerdung).

Alternativ können die Sicherheitsbarrieren auch einzeln geerdet werden. Hierzu ist die  / PA-Klemme auf der eigensicheren Anschlussseite der Sicherheitsbarriere vorgesehen.

Auswechselbare Vorsicherung
Die Sicherheitsbarrieren von R.STAHL sind mit einer auswechselbaren Vorsicherung ausgestattet. Zwei-Kanal-Barrieren enthalten je eine Vorsicherung für jeden Kanal. Die Vorsicherung ist der internen, nicht zugänglichen Sicherung vorgeschaltet. Eine Schutzschaltung verhindert, dass beide Sicherungen gleichzeitig ansprechen. Damit ist gewährleistet, dass bei Falschpolung der Betriebsspannung oder bei unzulässig hoher Betriebsspannung die Sicherheitsbarriere vor Zerstörung geschützt ist. Für Wartung und Instandhaltung ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:

• Bei einer Überlastung braucht die Sicherheitsbarriere nicht ausgetauscht zu werden
• Die auswechselbare Vorsicherung der Barriere kann ohne Demontage der Barriere erneuert werden

Die Auswahl von Sicherheitsbarrieren erfolgt grundsätzlich in zwei Schritten:

• Funktionelle Betrachtung
• Sicherheitstechnische Betrachtung

Bei der funktionellen Betrachtung muss zunächst der Typ der Sicherheitsbarriere ermittelt werden. Sicherheitsbarrieren des gleichen Typs verwenden die gleiche grundsätzliche Schaltung, variieren jedoch in ihren elektrischen und sicherheits-technischen Werten. Werden mehrere Sicherheitsbarrieren zusammengeschalten, müssen die sicherheitstechnischen Werte angepasst werden.

Funktion – Barrieren-Typ
Polarität / Spannungsbegrenzung
Jeder Kanal hat eine Polarität (+, -, ~) bezogen auf / PA, welche durch die Richtung der spannungsbegrenzenden Zenerdiode festgelegt ist. Die Polarität muss mit der angelegten Spannung übereinstimmen, um die Eigensicherheit zu gewährleisten.

z.B.:    Positive Spannung an Kanal 1     => Positive Polarität an Kanal 1
            Negative Spannung an Kanal 2   => Negative Polarität an Kanal 2
            Wechselnde Spannung an Kanal 1 => Wechselnde Polarität an Kanal 1

Strombegrenzung
Der Strom kann mit einem Widerstand begrenzt werden. Alternativ kann auch eine Diode genutzt werden, um den Strom in eine Richtung komplett zu sperren. Kanäle mit Diode werden als „Auswertebarriere“ bezeichnet. Auswertebarrieren können nur für Gleichstromsignale verwendet werden, bei Widerständen gibt es keine Einschränkung. Dioden sperren nur in eine Richtung und beschränken nicht die Größe des Stroms. Daher können Auswertebarrieren nur mit einem aktiven Feldgerät verwendet werden (d.h. die Energie kommt vom Feldgerät) oder in Kanal 2, wenn in Kanal 1 (Stromversorgung) ein begrenzender Widerstand verbaut ist.

Es ist immer möglich, eine Auswertebarriere durch einen Widerstand zu ersetzen. Allerdings verfügen Auswertebarrieren über wesentlich bessere sicherheitstechnische Werte, weshalb wenn möglich Auswertebarrieren eingesetzt werden sollten. Da der Strom durch die Diode in Richtung des Feldgeräts komplett gesperrt wird, werden Io und Po stark reduziert.

Zudem gibt es bei Auswertebarrieren einen konstanten Spannungsabfall über der Diode, wodurch sich die elektrischen Berechnungen vereinfachen.

Sicherheitsbarrieren mit elektronischer Strombegrenzung
Alternativ zur Strombegrenzung durch einen Widerstand oder Diode kann auch eine elektronische Strombegrenzung mit konstantem Spannungsabfall verwendet werden. Der Vorteil ist ein geringerer Längswiderstand aufgrund des fehlenden Widerstands und somit eine bessere Leistungsausbeute. Die Nachteile sind allerdings schlechtere sicherheitstechnische Werte. Zudem dürfen diese Sicherheitsbarrieren maximal für ib Stromkreise (d.h. Zone 1) verwendet werden.

Stromversorgung
Es werden geregelte und ungeregelte Stromversorgungen unterschieden. Bei Verwendung von ungeregelten Stromversorgungen muss eine geeignete Sicherheitsbarriere verwendet werden.

Funktion – Elektrische Werte
Zur Auswahl der richtigen Sicherheitsbarriere müssen die elektrischen Werte, mit denen die Sicherheitsbarriere betrieben werden soll, bestimmt werden.

U_N:        Nennspannung
I_N:          Nennstrom
I_max:      Maximaler Ausgangsstrom
R_min:     Minimale Größe des Widerstands
R_max:     Maximale Größe des Widerstands
ΔU:        Zusätzlicher Spannungsabfall (bei Auswertebarrieren und elektronischer Begrenzung)

Es gilt Strom und Spannung am eigensicheren Feldgerät bzw. an der E/A Baugruppe im sicheren Bereich zu berechnen. U_N wird an die Sicherheitsbarriere angelegt. Bei ungeregelter Stromversorgung muss mit dem begrenzten Wert gerechnet werden. Über I_N und den Widerstand kann der Spannungsabfall über die Sicherheitsbarriere berechnet werden. Der Widerstand verfügt über eine gewisse Toleranz. R_min und R_max sind die Grenzen, zwischen welchen der Widerstandswert liegt. Es muss mit dem für die Anwendung ungünstigsten Wert gerechnet werden.

Bei Auswertebarrieren und Sicherheitsbarrieren mit elektronsicher Strombegrenzung fällt unabhängig vom fließenden Strom der Spannungsabfall ΔU ab. Ist die angelegte Spannung kleiner ΔU, so fließt kein Strom.

Die Sicherheitsbarriere muss so gewählt werden, dass Strom und Spannung am eigensicheren Feldgerät bzw. an der E/A Baugruppe im sicheren Bereich für deren Funktion ausreichend ist.

Zur Info: Eine Verbesserung der elektrische Werte bedeutet in der Regel eine Verschlechterung der sicherheitstechnischen Werte.

Sicherheit – Ex i Werte
Die sicherheitstechnischen Maximalwerte einer einzelnen Sicherheitsbarriere (Ein-Kanal oder Zwei-Kanal) sind durch die Bescheinigung festgelegt:

• Maximale Spannung Uo
• Maximaler Strom Io
• Maximale Leistung Po
• Zulässige äußere Kapazität Co
• Zulässige äußere Induktivität Lo

Es muss jedoch geprüft werden, ob die sicherheitstechnisch zulässigen Maximalwerte des eigensicheren Betriebsmittels (d.h. des Feldgeräts im explosionsgefährdeten Bereich) von der ausgewählten Sicherheitsbarriere eingehalten werden.

Die Regeln der Eigensicherheit entsprechend den gültigen Normen müssen beachtet werden.

Sicherheit – Zusammenschaltung
Werden mehrere Sicherheitsbarrieren zusammengeschaltet, so ist sicherheitstechnisch auf mögliche Strom- und Spannungsadditionen zu achten.

Übersicht Additionsmöglichkeiten

Bei der Zusammenschaltung von zwei Barrieren für wechselndes Potential ergibt sich I und U, daher ist sowohl eine Stromaddition als auch eine Spannungsaddition zu berücksichtigen. Die neuen Uo, Io und Po Werte können nun zur Bestimmung von Co und Lo verwendet werden (siehe Zündgrenzkurven EN 60079-11, bzw. EN 60079-25). Anschließend werden diese mit den eigensicheren Werten des Feldgeräts verglichen.