Eigensicherheit heißt auch begrenzte Leistung. Zumindest ist das der aktuelle Stand der Technik. Mit Dynamic Arc Recognition and Termination (DART) soll das jedoch bald anders sein. Diese Technologie verfolgt einen völlig neuen Ansatz beim Explosionsschutz und soll eigensichere Lösungen mit bis zu 50 W nutzbarer Leistung ermöglichen. Das System nutzt dafür den bei Bildung eines Funkens typischen Verlauf von Spannung und Stromfluss und löst innerhalb von etwas mehr als einer Mikrosekunde die Unterbrechung des Stromkreises aus. Die beiden Varianten, Dart High-Power und Dart für den Feldbus bieten die Voraussetzungen, um neue und eine Vielzahl existierender Anwendungen in der Prozessautomation mit Eigensicherheit auszustatten. Die Technologie befindet sich derzeit in der Endphase ihrer Entwicklung. Pepperl+Fuchs war führend an der Entwicklung beteiligt und sucht derzeit den Dialog mit Anwendern und Herstellern. Bereits 2009 sollen erste Anwendungen zur Verfügung stehen.

Dart ist das Ergebnis eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit geförderten Forschungsprojektes, das auf der diesjährigen Hannover Messe und der Interkama erstmals dem Fachpublikum vorgestellt wird.

Abschalten statt begrenzen

Nach IEC 60079-11 gilt ein Stromkreis dann als eigensicher, wenn nach konkret definierten Kriterien sichergestellt ist, dass es weder beim normalen Betrieb noch bei einem Störfall ein Funke oder ein anderer thermischer Effekt die Entzündung einer explosionsfähigen Atmosphäre auslösen kann. Bei der Zündschutzart Eigensicherheit (Ex i) wird die Entstehung zündfähiger Funken im explosionsgefährdeten Bereich im Wesentlichen durch die Begrenzung der zur Verfügung stehenden Wirkleistung sichergestellt. Genau diese Begrenzung auf weniger als 2 W beschränkt natürlich den Einsatzbereich und führt dazu, dass diese Schutzart vor allem im Bereich der Mess- und Regeltechnik, sowie zur Stromversorgung von Aktoren und Sensoren mit niedrigen Anschlussleistungen eingesetzt wird.

Bei einem über Dart abgesicherten Stromkreis entfällt eine derart rigide Leistungsbegrenzung und es lassen sich auch im Ex-Bereich Feldgeräte mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 50 W einsetzen. Der Grund dafür ist, dass Dart eine Störung des elektrischen Systems bereits im Ansatz erkennt und blitzschnell - genau gesagt innerhalb von 1,4 µs - eine Schnellabschaltung des Stromkreises auslöst, noch bevor der Stromfluss eine sicherheitsrelevante Größe erreichen kann.

Dart macht sich dabei die Tatsache zunutze, dass sich jeder Funke durch einen Sprung der Stromstärke und Spannung innerhalb eines Stromkreises bemerkbar macht. Diese Veränderung zeichnet sich durch eine ganz bestimmte Charakteristik aus und kann daher gezielt genutzt werden, um die Entstehung einer Situation zu erkennen, die innerhalb des Ex-Bereiches problematisch sein kann. Dart reagiert bei Funkenbildung innerhalb weniger Mikrosekunden und schaltet den Stromkreis ab, noch bevor genügend Strom fließen kann, um eine zündfähige Temperatur zu erreichen.

Dart High-Power

Dabei handelt es sich um eine Variante, um künftig auch Geräte mit höherem Energiebedarf im Ex-Bereich einsetzen zu können, ohne dafür spezielle und aufwendige Sicherheitsmaßnahmen zu benötigen. Typische Beispiele dafür sind Industrie-PCs samt Bedienterminal und Display, LED-Beleuchtungssysteme, Sensoren mit hohem Leistungsbedarf, Analysegeräte, Magnetventile hoher Leistungen und auch elektrische Heizungen. Dabei wird eine Topologie eingesetzt, die aus lediglich vier Komponenten besteht: einer Energieversorgung, einer direkten Leitung und dem Verbraucher in den das Entkopplungsmodul integriert ist. Je nach Spannung und Leitungslänge lassen sich auf diese Weise Wirkleistungen von bis zu 50 W zur Verfügung stellen.

Dart für den Feldbus

Foundation Fieldbus H1 und Profibus PA haben sich zum De-facto-Standard in der Prozessautomatisierung etabliert. Dabei werden jeweils mehrere Feldgeräte über einen Segment-Protector angeschlossen, der wiederum über eine Stichleitung (Spur) mit einer Hauptleitung (Trunk) verbunden ist. Bei der eigensichere Auslegung wird die Hauptleitung in der Schutzart Erhöhte Sicherheit (Ex e) ausgeführt, während die Feldgeräte eigensicher (Ex i) und galvanisch getrennt über Feldbusbarrieren angeschlossen werden. Dart ist auch hier eine elegante Lösung, um ein Vielfaches an Leistung über den Feldbus zur Verfügung zu stellen, ohne dabei die mit der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit (EX e) verbundenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Nahezu jedes Feldgerät, das für eine eigensichere Speisung ausgelegt ist, erfüllt heute die Kriterien nach Fisco oder Entity. Daher wird in der Dart-Feldbusstromversorgung die nach Entity maximal zulässige Spannung von 24 V gewählt. Damit ist die Kompatibilität mit praktisch allen Feldgeräten auf dem Markt sichergestellt. Bei bis zu 24 Verbrauchern mit einer Anschlussleistung von zusammen 8 W je Segment lassen sich mit Dart am Feldbus Leitungslängen von bis zu 1000 m realisieren.

Entkopplung von Störeinflüssen

Ein Dart-Verbindungssystem besteht prinzipiell aus drei Komponenten: Energieversorgung, Verbindungsleitungen und Verbraucher. Dabei hat die Länge der Leitung und damit die Laufzeit des Signals auf der Leitung einen entscheidenden Einfluss auf die Reaktionszeit bei der Erkennung einer Funkenbildung. Doch auch das Verhalten des Verbrauchers selbst kann zu nicht eindeutigen Signalbildern führen. Dart gleicht das aus, indem der Verbraucher nicht direkt an die energieführende Leitung angeschlossen wird, sondern über ein Entkopplungsmodul. Dieses Modul wird in den Verbraucher integriert. Es sorgt für ein klar definiertes elektrisches Verhalten, bewirkt einen sanften Anlauf des Verbrauchers bei begrenztem Stromanstieg und liefert dem System unabhängig von Störeinflüssen ein eindeutig auswertbares Signal zur Abschaltung der Energieversorgung bei Funkenbildung.

Basistechnologie einer neuen Generation

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Dart einen einfachen und kostengünstigen Weg bietet, um die bisherigen Leistungsbeschränkungen bei der eigensicheren Anbindung von Feldgeräten weitgehend aufzuheben und auch im Ex-Bereich solche Geräte mit eigensicherem Anschluss ausstatten zu können, die eine im Vergleich zu heute um ein Vielfaches höhere Leistungsaufnahme haben. „Der High-Power Trunk, dessen Installation heute einen erhöhten Sicherheitsaufwand erfordert, kann jetzt als eigensichere Installation ausgeführt werden, ohne dabei Kompromisse bei der verfügbaren Leistung eingehen zu müssen", beschreibt Michael Kessler, Direktor des Bereiches Komponenten und Technologie bei Pepperl+Fuchs die Situation. „Außerdem eröffnet Dart Möglichkeiten für zahlreiche weitere Anwendung in der Prozessindustrie, wie Ventilsteuerung, Waagen oder Notbeleuchtung."