Die Implementierung eines robusten Schutzes in gefährlichen Industrieumgebungen stellt eine grundlegende Sicherheitsanforderung in der Fabrikautomation dar. Prozessanlagen verarbeiten häufig flüchtige Gase, Stäube und chemische Stoffe, die erhebliche Explosionsrisiken bergen. Daher müssen Steuerungssystemingenieure energiebegrenzende Schnittstellen einsetzen, um Steuerungsschränke im sicheren Bereich von Feldgeräten in Gefahrenbereichen zu isolieren. Dieser Artikel untersucht die Funktion, Auswahl und elektrischen Prinzipien von eigensicheren Barrieren innerhalb moderner PLC- und DCS-Netzwerke.

Verständnis des Zündrisikos in explosionsgefährdeten Atmosphären

Industriestandorte weisen je nach Vorhandensein brennbarer Stoffe unterschiedliche Betriebsgefahren auf. Standardisierte Regulierungsbehörden, darunter die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC), klassifizieren explosionsgefährdete Atmosphären (Ex-Zonen) in verschiedene Kategorien. Diese Klassifizierung basiert auf der Wahrscheinlichkeit, Häufigkeit und Dauer einer zündfähigen Konzentration von Gas, Dampf oder Staub.

Eine Explosion erfordert drei gleichzeitig vorhandene Elemente: Brennstoff, ein Oxidationsmittel (typischerweise Sauerstoff) und eine Zündquelle. Da Brennstoff und Sauerstoff in gefährlichen Prozessbereichen natürlich vorhanden sind, müssen Steuerungsingenieure potenzielle Zündquellen eliminieren.

Standardelektrische Geräte können bei Hardwarefehlern thermische Energie oder elektrische Funken erzeugen. Tritt ein unisolierter Kurzschluss oder Kontaktlichtbogen in einem ungeschützten Feldgerät auf, kann der entstehende Funke die umgebende Atmosphäre entzünden. Daher ist die Verhinderung elektrischer Zündungen ein zentrales Anliegen bei der Gestaltung von Gefahrenbereichen.

Das Grundprinzip der Eigensicherheit

Die Eigensicherheitsmethode (Ex i) begrenzt die elektrische und thermische Energie, die in einen Gefahrenbereich gelangt, um eine Zündung zu verhindern. Anstatt eine Explosion einzudämmen, stellt diese Methode sicher, dass ein elektrischer Funke oder eine heiße Oberfläche nicht die minimale Zündenergie des umgebenden Gasgemischs erreicht.

Eine vollständige eigensichere Installation erfordert drei eng aufeinander abgestimmte Komponenten:

• Ein eigensicheres Feldgerät: Ein Instrument, das zertifiziert ist, sicher unter niedrigen Leistungspegeln zu arbeiten.
• Eine eigensichere Feldverkabelung: Geschirmte, kapazitätsarme Kabel, die externe elektromagnetische Induktion verhindern.
• Eine eigensichere Barriere: Ein Schnittstellengerät, das im sicheren Bereich installiert ist und Spannung, Strom und Gesamtleistung begrenzt.

Indem elektrische Parameter unter bestimmten Sicherheitsgrenzwerten gehalten werden, bleibt das System auch bei Bauteilfehlern oder Kurzschlüssen in der Feldverkabelung sicher.

Funktionsprinzipien von Zener- und galvanischen Barrieren

Eine eigensichere Barriere fungiert als passive oder aktive Sicherheits-Schnittstelle zwischen dem Steuerungsschrank im sicheren Bereich und dem Feldgerät im Gefahrenbereich. Im Normalbetrieb lässt die Barriere Steuersignale (wie 4-20 mA-Schleifen oder digitale Statuskontakte) unverändert passieren.

Tritt jedoch ein elektrischer Fehler auf der sicheren Seite auf, blockiert die Barriere die überschüssige Energie am Eindringen in den Gefahrenbereich. Beispielsweise begrenzt die Sicherheitsbarriere bei einer Überspannung von 220 VAC im sicheren Bereich die Ausgangsspannung auf ihren ausgelegten sicheren Grenzwert, etwa 24 VDC.

Physikalisch verwendet eine klassische passive Zener-Barriere eine dreiteilige Schaltung zur Energiebegrenzung:

• Eine schnell ansprechende Sicherung: Diese Komponente trennt den Stromkreis, wenn der Strom die Nennwerte überschreitet.
• Zener-Dioden: Diese leiten überschüssige Spannung direkt an eine spezielle eigensichere Erdung ab.
• Strombegrenzende Widerstände: Diese begrenzen den Schleifenstrom auf sichere Werte bei Kurzschlussbedingungen.

Bei einem Überspannungsfehler leiten die Zener-Dioden den Fehlerstrom zur Erde ab und lassen die Sicherung durchbrennen, falls der Überspannungsspitze anhält. Dadurch wird die Verkabelung im Gefahrenbereich von gefährlicher elektrischer Energie isoliert.

Elektrische Kompatibilität und Abstimmungsparameter

Systementwickler müssen die elektrische Kompatibilität zwischen der Sicherheitsbarriere und dem Feldinstrument überprüfen. Diese Überprüfung erfordert den Vergleich der maximalen Ausgangsparameter der Sicherheitsbarriere mit den maximalen Eingangsparametern des Feldinstruments.

Technische Trends: Zener-Barrieren versus galvanische Isolatoren

Moderne Prozessanlagen setzen zunehmend aktive galvanische Isolatoren anstelle traditioneller passiver Zener-Barrieren ein. Passive Zener-Barrieren benötigen eine dedizierte, niederohmige Erdungsverbindung, um Fehlerströme sicher abzuleiten. Die Aufrechterhaltung dieses Erdnetzes erfordert regelmäßige Prüfungen und Inspektionen, was die Betriebskosten erhöht.

Im Gegensatz dazu verwenden galvanische Isolatoren optische oder transformatorbasierte Trennung, um sichere und gefährliche Stromkreise zu isolieren. Da sie die Steuerungsschleifen physikalisch trennen, benötigen galvanische Isolatoren keine dedizierte Sicherheitserde. Zudem bieten sie eine überlegene Störfestigkeit gegen Signalrauschen und verhindern, dass Erdschleifen empfindliche analoge Messungen verfälschen.

Anwendungsfall: Offshore-Ölplattformen

Auf Offshore-Öl- und Gasförderplattformen sind Platzbeschränkungen der Grund dafür, dass Steuerschränke nahe an flüchtigen Prozessbereichen installiert werden. In diesen Anlagen arbeiten sicherheitskritische Instrumente wie brennbare Gasdetektoren und Notabsperrventile in den Zonen 1 und 0.

Zum Schutz dieser Systeme installieren Ingenieure mehrkanalige galvanische Isolatoren in den sicheren DCS-Gehäusen. Diese Isolatoren übertragen 4-20 mA HART-Rückmeldesignale aus der Gefahrenzone zu den DCS-Eingangskarten. Wird ein Kabel physisch durchtrennt oder durch starken Seespray beschädigt, verhindern die Isolatoren die Funkenbildung und gewährleisten so den kontinuierlichen Betrieb und die Sicherheit auf der Plattform.

Über den Autor: Lin Weidong

Lin Weidong ist Senior-Automatisierungsingenieur und Spezialist für Prozesssicherheit mit über 15 Jahren Erfahrung in Systemdesign und Inbetriebnahme vor Ort. Er hat die Integration von Sicherheitsbarrieren und Zertifizierungen für explosionsgefährdete Bereiche in großen petrochemischen und chemischen Anlagen geleitet. Lin ist spezialisiert auf die Auslegung von sicherheitsgerichteten Systemen (SIS) gemäß IEC 61508 / IEC 61511 und die Installation von Schleifen in Gefahrenbereichen. Er veröffentlicht regelmäßig technische Artikel und Systemintegrationsleitfäden für globale Industrieautomationsplattformen.