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IEC 60079-11 legt die Konstruktion und Beurteilung von eigensicheren elektrischen Betriebsmitteln für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen fest. Eigensicherheit (Ex i) ist die dominierende Schutzart für die Instrumentierung — sie begrenzt die elektrische Energie und die Oberflächentemperatur so, dass weder ein Funke noch eine heiße Oberfläche die umgebende Atmosphäre entzünden kann.
IEC 60079-11:2023 Einzeldokument. Legt die drei IS-Stufen (ia, ib, ic), die Entity-Parameter (Ui, Ii, Pi, Ci, Li), Prüfanforderungen, Beurteilungsverfahren und die Regeln für die Kombination von Komponenten zu eigensicheren Systemen fest (für vollständige Systemstromkreise wird auf IEC 60079-25 verwiesen).
In einer Raffinerie findet man Ex d-Motoren (druckfest), Ex e-Klemmenkästen (erhöhte Sicherheit), Ex p-Steuerschränke (Überdruckkapselung) — aber die große Mehrheit der Instrumentierung (Tausende von Drucktransmittern, Niveauschaltern, Thermoelementen, Durchflussmessern) verwendet Ex ia/ib-Eigensicherheit. Warum?
Der Nachteil: Ex i ist leistungsbegrenzt. Man kann keinen 5-kW-Motor mit IS betreiben — dafür braucht man Ex d oder Ex e. IS gilt nur für Niedrigleistungskreise (typisch < 1 W pro Stromkreis).
| Stufe | Fehlertoleranz | Zonenverwendbarkeit | EPL | Anwendungsfall |
|---|---|---|---|---|
| Ex ia | 2 Fehler | Zone 0/1/2 | Ga | Im Tankinneren, um Entlüftungen (strengste Anforderungen) |
| Ex ib | 1 Fehler | Zone 1/2 | Gb | Um Prozessanlagen im Normalbetrieb |
| Ex ic | 0 Fehler | Nur Zone 2 | Gc | Außeninstrumentierung, gelegentliches Risiko |
Die meisten Anlagen standardisieren auf Ex ia, da der Kostenunterschied gegenüber ib/ic gering ist und die zusätzliche Flexibilität (jede Zone einschließlich Zone 0) es wert ist. Ex ic existiert für kostenempfindliche Zone-2-Installationen, ist aber weniger verbreitet.
Beim Verdrahten eines Transmitters an eine Barriere (oder einen galvanischen Trenner) muss der Stromkreis entity-sicher sein:
Transmitter (Feldseite) Barriere (sichere Seite)
───────────────────────── ──────────────────────────
Ui = max. Spannung ≥ Uo = max. Ausgangsspannung Barriere
Ii = max. Strom ≥ Io = max. Ausgangsstrom Barriere
Pi = max. Leistung ≥ Po = max. Ausgangsleistung Barriere
Ci + Cc ≤ Co (Ci Gerät + Cc Kabel ≤ zulässige Kapazität Barriere)
Li + Lc ≤ Lo (Li Gerät + Lc Kabel ≤ zulässige Induktivität Barriere)
Dabei sind Cc und Lc die Kabelbeiträge (ca. 100 pF/m für typisches IS-Kabel, ca. 1 µH/m). Bei einem 200-m-Kabel sind das 20 nF + 0,2 mH — in der Regel weit innerhalb der Barrierentoleranz.
Wenn ein Parameter den Grenzwert überschreitet, ist der Stromkreis nicht eigensicher und muss neu konstruiert werden (andere Barriere, kürzeres Kabel, anderer Transmitter oder Abstufung auf Ex ib akzeptieren).
Zwei Gerätetypen bieten die Schnittstelle auf der sicheren Seite:
Zener-Barriere: Passives Gerät mit Zener-Dioden, Schnellsicherungen und Widerständen. Begrenzt Uo/Io durch Begrenzung. Vorteile: günstig (~50 €), keine Spannungsversorgung erforderlich. Nachteile: erfordert saubere Potentialausgleichsverbindung zwischen Erde im Ex-Bereich und Erde im sicheren Bereich (sonst Erdschleifen). Einzelner Fehlerpunkt, wenn PE unterbrochen wird.
Galvanischer Trenner: Aktives Gerät mit internem Trenntransformator oder Optokoppler. Vorteile: KEINE Erdabhängigkeit, höhere Zuverlässigkeit, oft mit Signalumwandlung (4-20 mA Ein/4-20 mA Aus oder HART-transparent). Nachteile: teurer (~150-300 €), Spannungsversorgung erforderlich.
Bei Neuanlagen werden galvanische Trenner zunehmend bevorzugt, da die Erdungsanforderungen schwieriger zu warten sind und Trenner bessere Diagnosen bieten (einige melden Kurzschluss/Leitungsbruch an das Leitsystem).
Vor FISCO (eingeführt 1999) erforderte jedes IS-Feldbussegment individuelle Entity-Parameter-Berechnungen für jedes hinzugefügte Gerät. Das Hinzufügen oder Verschieben eines Transmitters war ein Verwaltungsaufwand.
FISCO definiert standardisierte Stammparameter: Wenn Ihr Feldbussegment + Spannungsversorgung + Kabel + Abzweigungen alle der FISCO-Norm entsprechen, können beliebig viele FISCO-zertifizierte Geräte ohne Neuberechnung hinzugefügt werden. Nur den Gesamtstrom prüfen und fertig.
Dies vereinfachte Foundation Fieldbus / PROFIBUS PA-Installationen in Ex-Umgebungen erheblich. Heute basieren die meisten IS-Feldbusinstallationen auf FISCO.
Muster 1: Punkt-zu-Punkt-IS-Stromkreis
[Transmitter Ex ia] ────IS-Kabel─── [Zener-Barriere oder Trenner] ─── [LSR E/A]
Zone 1 Schaltschrank sichere Seite Sichere Seite
Muster 2: Multi-Drop HART über IS
[Tx1] [Tx2] [Tx3] ─IS-Kabel── [Multi-Drop-Barriere] ── [HART-Multiplexer] ─ LSR
Jeder in Zone 1 Sichere Seite Sichere Seite
Muster 3: FISCO-Feldbussegment
[Gerät 1 Ex ia] [Gerät 2 Ex ia] ... [Gerät N Ex ia]
│ │ │
└──── FISCO-Stammkabel + Spannungsversorgung ──── Sichere Seite
(bis zu ~16 Geräte pro Segment in typischer Ex i-Implementierung)
Ausgabe 7 (2023) bringt:
Für die HART-Kommunikation über IS-Stromkreise erkennt die Norm jetzt ausdrücklich das HART-Signal als inhärent im Träger an, ohne separate Zertifizierung zu erfordern.
Der 4-20-mA-Skalierungsrechner übernimmt die Signal-/Messwert-Mathematik von IS-Stromkreisen einschließlich der NAMUR NE 43-Diagnosebänder. Der NAMUR-Frequenzstatus behandelt Vibrations-Grenzstandschalter, die typischerweise als Ex ia in Zone 0/1 eingesetzt werden.
Zukünftige Arbeit: Ein Ex-Kennzeichnungsdecoder-Werkzeug + ein Entity-Parameter-Prüfwerkzeug würden sich natürlich in unsere Kategorie /tools/instrumentation/ einfügen.