Prozessindustrien verarbeiten täglich brennbare Gase, flüchtige Flüssigkeiten und brennbare Stäube. In diesen explosionsgefährdeten Bereichen stellt die elektrische Instrumentierung ein ständiges potenzielles Zündrisiko dar. Ingenieure, die Netzwerke speicherprogrammierbarer Steuerungen (SPS) und Leitsysteme (DCS) entwerfen, müssen strenge Strategien zur Energiebegrenzung umsetzen.

Barrieren für die Eigensicherheit (IS) dienen als zentrale Schutzschnittstelle zwischen sicheren Leiträumen und explosionsgefährdeten Feldumgebungen. Dieser technische Leitfaden analysiert, wie Barrieren für die Eigensicherheit Automatisierungskomponenten schützen und katastrophale Industrieexplosionen verhindern.

Verständnis der Klassifizierung explosionsgefährdeter Bereiche und der Zündrisiken

Industrieanlagen klassifizieren Betriebsbereiche anhand der Häufigkeit und Dauer des Auftretens explosionsfähiger Atmosphären. Normen wie IEC 60079 und ATEX definieren spezifische Zonen für Gas (Zone 0, Zone 1, Zone 2) und Staubatmosphären.

Das klassische Feuerdreieck erfordert drei Elemente für eine Verbrennung: Brennstoff, Sauerstoff und eine Zündquelle. Prozessanlagen enthalten naturgemäß Umgebungssauerstoff und brennbare Gase. Daher müssen Automatisierungsingenieure elektrische und thermische Zündquellen in der Feldinstrumentierung strikt ausschließen.

Kurzschlüsse, Lichtbögen an Kontakten oder Bauteilausfälle in nicht konditionierten 24-V-Gleichstrom-Feldstromkreisen können ausreichend elektrische Energie erzeugen, um umgebende explosive Gasgemische zu entzünden.

Funktionsprinzipien des Eigensicherheitskonzepts

Die Eigensicherheit (Ex i) begrenzt die gesamte elektrische Energie in Stromkreisen explosionsgefährdeter Bereiche unter die Mindestzündenergie (MZE) der umgebenden Gasgruppe.

Im Gegensatz zu druckfesten Gehäusen, die Explosionen im Inneren einschließen, verhindert die Eigensicherheit das Entstehen einer Zündung vollständig.

Ein eigensicherer Stromkreis besteht aus drei miteinander verbundenen Komponenten:

• Betriebsmittel im sicheren Bereich: SPS- oder DCS-E/A-Module, die in nicht explosionsgefährdeten Schaltschränken installiert sind.
• Zugehöriges Betriebsmittel (Sicherheitsbarriere): Energiebegrenzende Schnittstelle, die zwischen dem sicheren Bereich und den Feldgeräten installiert wird.
• Eigensicheres Feldgerät: Zertifizierte Sensoren, Messumformer oder Magnetventile, die in explosionsgefährdeten Bereichen betrieben werden.

Funktionsweise der internen Schaltung von Sicherheitsbarrieren

Sicherheitsbarrieren begrenzen Spannung, Strom und die gesamte an Feldgeräte abgegebene Leistung, selbst bei katastrophalen Fehlern der primären Stromversorgung.

Passive Zenerbarrieren

Eine grundlegende Zenerbarriere umfasst drei primäre passive Komponenten:

• Zenerdioden: Dioden begrenzen transiente Überspannungen aus dem sicheren Bereich auf eine sichere Zenerspannung ($V_z$).
• Strombegrenzende Widerstände: Präzisionswiderstände begrenzen den Ausgangsfehlerstrom ($I_{sc}$) auf sichere Betriebswerte.
• Schnellauslösende Sicherung: Die Sicherung löst aus, wenn Zenerdioden übermäßigen Strom begrenzen, und öffnet den Fehlerstromkreis dauerhaft.

Passive Zenerbarrieren benötigen eine spezielle IS-Erdung mit extrem niedriger Impedanz (unter $1\ \Omega$), um Fehlerströme sicher abzuleiten.

Galvanische Trennschalter

Moderne DCS-Installationen spezifizieren zunehmend aktive galvanische Trennschalter anstelle von Zenerbarrieren. Galvanische Trennschalter nutzen interne Transformatoren, Optokoppler oder kapazitive Kopplung, um Steuerkreise elektrisch zu trennen.

Sie machen eine spezielle eigensichere Erdungsleitung überflüssig, vereinfachen die Feldverdrahtung und verhindern Störungen durch Erdschleifen.

Abgleich der Geräteparameter für Systemkompatibilität

Systemintegratoren müssen vor dem Anschluss von Feldinstrumenten an Sicherheitsbarrieren die Kompatibilität der Geräteparameter überprüfen. Die maximalen Ausgangsparameter der Barriere dürfen die sicheren Eingangskennwerte des Feldgeräts nicht überschreiten.

Anwendungsszenario: Erkennung von Kohlenwasserstoffgasen auf einer Offshore-Plattform

Eine Offshore-Ölplattform integrierte 4-20-mA-Kohlenwasserstoff-Gasdetektoren in eine zentrale sicherheitsgerichtete Steuerung (SIS). Die Gasdetektoren arbeiteten in einer explosionsgefährdeten Umgebung der Zone 1, die explosiven Methangasgemischen ausgesetzt war.

Systemanfälligkeit

Ein direkter 230-V-AC-Querschluss im Schaltschrank konnte die internen Stromversorgungen umgehen und lebensgefährliche Netzspannung direkt über die Sensorfeldverdrahtung in Zone 1 leiten.

Technische Umsetzung

Die Ingenieure installierten galvanische Trennverstärker zur DIN-Schienenmontage zwischen den analogen Eingangskanälen des SIS und den Feldtransmittern:

1. Fehlerisolierung: Der Trennverstärker begrenzte die maximale Energie für Zone 1 auf 28 V DC und 93 mA und lag damit deutlich unterhalb der Zündschwelle von Methan.
2. Signalaufbereitung: Die Barriere gewährleistete eine präzise Durchleitung des 4-20-mA-HART-Signals, ohne zusätzliche Messfehler im Stromkreis zu verursachen.
3. Vermeidung von Erdschleifen: Die galvanische Trennung beseitigte Potenzialunterschiede zwischen entfernten Offshore-Modulen und der zentralen Leitwarte.

Technische Erkenntnisse und Empfehlungen aus der Praxis

Bei der Auswahl von Sicherheitsbarrieren müssen die Schutzanforderungen gegen die Komplexität der Installation abgewogen werden. Zenerbarrieren bieten zwar geringe Bauteilkosten pro Kanal, doch ihre strengen Erdungsanforderungen und ihre Empfindlichkeit gegenüber Erdschleifen erhöhen den gesamten Engineering-Aufwand.

Bei groß angelegten DCS-Projekten in petrochemischen Anlagen und Kraftwerken sind aktive galvanische Trennverstärker die bevorzugte Lösung. Galvanische Trennverstärker bieten eine überlegene Störfestigkeit, eine vereinfachte Inbetriebnahme und eine vollständige elektrische Trennung zwischen Steuerkanälen und Feldinstrumentierung.

Über die Autorin

Zhao Min ist eine leitende Architektin für Prozesssicherheit und Automatisierung mit 15 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von SIL-zertifizierten Steuerungssystemen, DCS-Infrastrukturen und Installationen für explosionsgefährdete Bereiche in chemischen Produktionsanlagen und Offshore-Anlagen. Sie ist auf die Einhaltung der IEC 60079, die Verifizierung eigensicherer Stromkreise und die Entwicklung von Notabschaltsystemen (ESD) spezialisiert.