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Ein neuartiges eigensicheres Energieversorgungskonzept

02.11.2005

Die hier beschriebenen Zusammenhänge sind das Ergebnis einer gemeinsamen Forschungsarbeit der PTB, FB 3.6, und der Firma Pepperl+Fuchs, Mannheim.

Das Hauptanwendungsgebiet der Zündschutzart Eigensicherheit „i“ ist momentan vorrangig in der Mess- Steuer- und Regelungstechnik zu finden. Der Grund dafür liegt im äußerst geringen zulässigen Wirkleistungsumsatz von nur ca. 2 W. Besteht höherer Leistungsbedarf, muss auf andere Zündschutzarten ausgewichen werden.

Aus Grundlagenuntersuchungen ist bekannt, das das Zündvermögen eines Funkens von der eingebrachten Funkenenergie, d. h. der Leistung, die in einer bestimmten Zeiteinheit im Funken wirksam umgesetzt werden kann, abhängig ist. Jede hierbei betrachtete Funkenbildung kann in zwei Phasen klassifiziert werden. Die erste Phase, die „inital phase“, ist als (noch) nicht zündfähig zu bewerten, aber Funkenspannung und -strom weisen bereits typische Veränderungen auf. Erst die unmittelbar folgende zweite Phase, die „critical phase“ ist als zündfähig zu klassifizieren. Das wird möglich, da die Effizienz des Energieeintrages in das Gasgemisch deutlich verbessert wird. Abbildung 1 zeigt den typischen Verlauf von Funkenspannung und -strom bei einem klassischen Öffnungsfunken an einer 1000 m langen Leitung (Versorgung durch eine Gleichstromquelle mit Rechteckkennlinie, Öffnung bei 500 m, die Signallaufzeit beträgt bei 1000 m ca. 6 µs). Hierbei sind die zuvor beschriebenen beiden Phasen gut erkennbar. 


Abbildung 1: klassischer DC - Öffnungsfunke (Störung bei 500 m, Leitungslänge 1000 m)

Das neuartige DART- Konzept erkennt nun bereits während der „initial phase“ eine mögliche Zündgefahr und schaltet, wenn bestimmte Bedingungen - wie die Änderung des Stromes (ca. 40 mA) erfüllt sind, noch vor Beginn der zündfähigen „critical phase“ die Energiezufuhr sofort ab. Diese, an jedem Ort der Leitung mögliche Stromänderung, muss vom DART- Energieversorgungsgerät am Leitungsanfang sicher erkannt werden. Die Störfallerkennung ist aber erst nach einer gewissen Verzögerungszeit, d.h. der Laufzeit der Information zwischen Störstelle und Auswerteeinheit, möglich. Bei der in Abbildung 1 betrachteten 1000 m langen Leitung kann also eine Reaktion des Speisegerätes frühestens nach 12 µs wirken (6 µs bis zum Speisegerät plus 6 µs zurück) erfolgen. Bei Vorgabe der Speisegeräteeckwerte - 24 VDC und 500 mA – lässt sich leicht nachweisen, dass die innerhalb dieser 12 µs akkumulierte Energie zu einer Entzündung führen kann. Diese Zeit muss also durch weitere sicherheitstechnische Maßnahmen verkürzt werden.

Dazu werden bei DART sogenannte Segmentprotektoren zwischen Stammleitung (Trunk) und Endverbraucher geschaltet. Diese sind in der Lage, ähnlich wie das Versorgungsgerät, sich entwickelnde zündfähige Funken bereits in der „initial phase“ zu erkennen und den Stromfluss schnell zu unterbrechen. Bei DART bilden somit das Versorgungsgerät und die Segmentprotektoren eine sicherheitstechnische Einheit. Mit diesem Konzept verkürzt sich im Störfall die Reaktionszeit auf die Signallaufzeit bis zur nächstgelegenen Sicherheitseinrichtung (Speisegerät oder Segmentprotektor). Bezogen auf 1000 m Leitung (siehe Abbildung 2) bedeutet dies eine maximale Entfernung von 500 m bis zur nächsten Sicherheitseinrichtung. Somit verkürzt sich die Reaktionszeit von 12 µs auf 6 µs - die in dieser Zeit umsetzbare Energie ist nicht zündfähig. Dann sind z.B. mit UO = 24 V, IO = 500 mA und PO ≈ 10 W (DART – Ausgangswerte) deutlich höhere eigensichere Zündgrenzwerte - selbst bei Leitungslängen bis 1000 m – möglich.

DART beruht auf der schnellen Erkennung und Auswertung anlaufender zündfähiger Zustände im Feld mit erforderlichenfalls sofortiger Abschaltung. Dazu ist eine ganzheitliche sicherheitstechnische Betrachtung aller im System integrierten Komponenten notwendig. Dazu gehören:

  • das DART- Speisegerät,
  • die Anschlussleitung (in den Feldbereich) und
  • alle Segmentprotektoren

Abbildung 2 zeigt in Analogie zu Abbildung 1 den Verlauf der elektrischen Funkenparameter eines Öffnungsfunkens bei Versorgung durch eine DART- Gleichstromquelle (Leitungslänge 1000 m, Öffnung der Leitung erfolgt auch hier bei 500 m). Mit DART lässt sich bereits innerhalb der „initial phase“ erkennen, dass ein Störfall an einem beliebigen Ort auf der Leitung vorliegt. Noch vor Beginn der zündfähigen „critical phase“ (d.h. t <10 µs) wird die Energiezufuhr durch Auswertung der geringen Stromänderung (ca. 40 mA) und unter Berücksichtigung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines Signals in der Leitung sicher abgeschaltet. 


Abbildung 2: Öffnungsfunke mit DART–Energieversorgung (Störung bei 500 m, Leitungslänge 1000 m).

Alle Verbraucher im Feldbereich, d. h. Feldgeräte, sind über Segmentprotektoren zu versorgen. Die Feldgeräte dürfen keinen Einfluss auf die Funktion von DART haben. Der Anschluss von Verbrauchern ohne Segmentprotektoren ist nicht möglich, da in diesem Falle das Versorgungsgerät sofort in einen sicherheitstechnisch unbedenklichen Bereich der Ausgangskennlinie regelt. 

Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Gegenüberstellung der maximal zulässigen elektrischen Ausgangswerte für die Versorgung eines Bussegmentes (für IIB und IIC). 

 

Kategorie /

Gasgruppe

Eigensichere Maximalwerte  Uo, Io, Po

herkömmliche Konzepte

DART - Konzept

ia  / ib IIC

FISCO :  15 V, 133 mA,  1,9 W     (1000 m)

Entity :   24 V,  50 mA,   1,2 W  (500 m)

 24 V, 500 mA,  max. 12 W  (1000 m)

ia / ib IIB

FISCO  :  15 V,  354 mA,   5,3 W    

Entity :     18 V,  350 mA

 24 V,  > 500 mA,  > 12 W

 

Von jedem Segmentprotektor können Stichleitungen (Spurs) ins Feld führen, die klassischen eigensicheren DC-Betrachtungen unterliegen. Eine Hintereinanderschaltung mehrerer Segmentprotektoren ist möglich (Trunk - Out). Bei Vorgabe der Versorgungsspannung können alle Entity - oder FISCO - zertifizierten Feldgeräte ohne Einschränkung und zusätzliche Zertifizierung im DART - Konzept verwendet werden. Mit der höheren verfügbaren Leistung lässt sich die aufgrund der Physical Layer Specification mögliche Zahl von maximal 32 Feldgeräten pro Segment vollständig ausnutzten.