Sowohl für die Maschinensicherheit als auch für den Explosionsschutz gibt es umfangreiche normative Regelwerke, die in Europa unter der Maschinenrichtlinie und der ATEX-Richtlinie gelistet sind. Darüber hinaus gibt es sowohl internationale Regelungen (zum Beispiel IECEx) sowie – für beide Bereiche – nationale Normen und Vorschriften (UL/CSA, Inmetro, Ex CCC…).
In der Praxis der Prozessindustrie ist diese Kombination von Anforderungen gar nicht so selten. Sie gilt zum Beispiel bei Verarbeitungs-, Abfüll- und Verpackungsmaschinen für pulverförmige Lebensmittel (Mehl, Zucker, Kaffee, Backmischungen…). Und in zahlreichen Prozessen der Chemieindustrie werden ebenfalls pulverförmige und entzündliche Stoffe (z. B. Additive, Pigmente, Pulverlacke…) gehandhabt und gefördert bzw. diese Stoffe können bei der Verarbeitung freigesetzt werden.
Viele Anwendungen im Maschinenbau
Im allgemeinen Maschinenbau gibt es somit diverse Einsatzmöglichkeiten bzw. -notwendigkeiten für Staub-Ex-Sicherheitsschaltgeräte. Und es gibt sehr unterschiedliche Bauarten dieser Schaltgeräte. Welche Bauart empfiehlt sich für welche Anwendung? Und warum gelten hier abgesehen von den Normenwerken andere Kriterien als bei der Auswahl von „normalen“ Sicherheitsschaltgeräten ohne Staub-Ex-Schutz oder Gas-Ex-Schutz-Anforderungen?
Naheliegend: Elektromechanische Sicherheitsschalter
Die naheliegende und in der Praxis am häufigsten gewählte Lösung bei der Stellungsüberwachung von Schutztüren sind elektromechanische Positionsschalter mit Sicherheitsfunktion oder Sicherheitsschalter mit getrenntem Betätiger.
Die Normschalter (EN 50047 und 50041) der Serien Ex 97 und Ex 99 aus dem „Ex Safety“-Programm von steute stehen für die erste Variante (Bild 01). Der Betätiger der Schalter, z. B. ein Rollenhebel, detektiert die Stellung der Schutztür und gibt ein entsprechendes Signal an das Sicherheitsrelais. Diese Baureihen können in den Gas-Ex-Zonen 1 und 2 sowie den Staub-Ex-Zonen 21 und 22 eingesetzt werden.
Dasselbe gilt für die „klassischen“ Sicherheitsschalter mit getrenntem Betätiger u. a. der Baureihe Ex AZ 16 (Bild 02). Sie erzeugen ein sicherheitsgerichtetes Signal, wenn der codierte Betätiger an der Schutztür beim Öffnen der Tür aus dem Schalter herausgezogen wird. Zu den Merkmalen, die den Staubexplosionsschutz gewährleisten, gehört hier ein schlagfestes, alterungsbeständiges und staubdichtes Gehäuse mit einem separaten Anschlussraum für die Signalleitung.
Vorteilhafte Alternative: Berührungslose Stellungsabfrage mit Sensoren
Als Alternative zu elektromechanischen Schaltgeräten kann der Maschinenbauer Sicherheitssensoren einsetzen. Das bietet in Staub-Ex-Bereichen häufig den zusätzlichen Vorteil, dass sich die Stellungsüberwachung von Schutztüren mit glatten Oberflächen realisieren lässt. Die aktiven Flächen sowohl des Sensors als auch des Betätigers sind geschlossen, es gibt keine Öffnung für einen mechanischen Betätiger. Somit ist der Einsatz dieser (berührungslos wirkenden) Sicherheits-Schaltgeräte in staubiger oder sonst wie verschmutzter Umgebung empfehlenswert. Zudem gibt es keine beweglichen Komponenten, was bei hoher mechanischer Beanspruchung von Vorteil sein kann.
Verschiedene Bauformen und Sensortechnologien
Für diese Anwendungen stehen unter anderem die Sicherheitssensoren der Baureihe Ex RC Si M 30 in zylindrischer Bauform zur Verfügung – auch in einer besonders robusten Version in Schutzart IP69 mit Edelstahlgehäuse (Bild 3).
Für den Anbau an die üblichen Profilsysteme des Maschinenbaus eignen sich zum Beispiel die Baureihe Ex RC Si 56, die Schaltabstände bis zu 7 mm erlaubt, und die besonders kompakte Serie HS Si 4 (Bild 04).
Diese Sensorbaureihen schaffen auch die Voraussetzung für eine verdeckte Bauweise der Stellungsabfrage: Wenn Abdeckungen bzw. Gehäusekomponenten aus einem nichtmagnetischen Werkstoff (Kunststoff, Edelstahl) verwendet werden, kann der Sensor durch dieses Material hindurch den Betätiger detektieren. Das ist sowohl aus Sicht der Reinigungsfreundlichkeit ein Plus als auch im Hinblick auf den Manipulationsschutz: Der Bediener kann nicht erkennen, wo sich das Sicherheitsschaltgerät befindet.
Reed-Kontakt oder Hall-Sensor?
Der Ex HS Si 4 (siehe Bild 04) unterscheidet sich von den anderen Sicherheitssensoren im steute-Programm dadurch, dass er nicht nach dem Magnetprinzip, mit einem Reed-Kontakt, detektiert. Stattdessen nutzt er einen Hall-Sensor, der sich im Vergleich zum Reed-Kontakt durch besondere Schock- und Vibrationsfestigkeit auszeichnet. Diese Art von Sicherheitssensoren ist somit bei vibrierenden Maschinen und Anlagen die bessere Wahl.
Die Vorteile der Verriegelung nutzen
Eine Übersicht über staub-ex-geeignete Sicherheitsschaltgeräte wäre unvollständig ohne die Sicherheitszuhaltungen. Sie halten Schutztüren und Wartungsklappen so lange verriegelt, bis gefährliche Nachlaufbewegungen an Maschinen und Anlagen zum Halt gekommen sind.
Diese Aufgabe können u. a. die Sicherheitszuhaltungen der Ex STM 515-Baureihe übernehmen (Bild 05). Typische Anwendungsbereiche, die steute bei der Entwicklung im Blick hatte, sind z. B. die Schutztüren und Wartungsklappen an Mischern und Siebmaschinen sowie an Verpackungsanlagen für pulverförmige oder staubende Güter. Zu den besonderen Funktionen und Eigenschaften der Baureihe gehören das robuste und mehrfach beschichtete Aluminium-Druckgussgehäuse und die große Zuhaltekraft von 4000 N.
Die Kombination von solider Bauform und einem um 4 x 90o umsetzbaren Betätigungskopf schafft die Voraussetzung für flexible Anbaumöglichkeiten in beliebiger Einbaulage, und die modulare Bauweise erlaubt die Auswahl von diversen Zusatzfunktionen. So kann die Ex STM 515 z. B. mit einer Hilfsentriegelung (von der Zugangsseite aus) und einer Fluchtentriegelung (aus dem Gefahrenbereich heraus) ausgestattet werden.
Immer häufiger ein Faktor: Der Prozessschutz
Immer häufiger werden Sicherheitszuhaltungen auch dann eingesetzt, wenn sie sicherheitstechnisch nicht unbedingt erforderlich sind, d. h., wenn es keine gefährlichen Nachlaufbewegungen gibt. In diesen Fällen dienen sie der Prozesssicherheit und verhindern, dass der Bediener die Maschine zum Halt bringt, indem er die durch einen Sicherheitsschalter oder -sensor überwachte Schutztür öffnet. Auch deshalb bietet die STM 515-Baureihe die Wahl zwischen Ruhe- und Arbeitsstromprinzip.
„Heavy duty“-Einsätze in der Fördertechnik
Der Überblick zum Thema „Maschinensicherheit in Ex-Bereichen“ aus steute-Sicht wäre nicht komplett ohne Ex-Sicherheitsschaltgeräte in „Heavy duty“-Ausführung. Sie kommen allerdings weniger in der Chemieindustrie zum Einsatz und häufiger in der Förder- und Gewinnungstechnik.
Hier muss das gesamte Equipment auch mechanisch robust sein und bei hoher Staubbelastung sowie in einem großen Temperaturbereich eingesetzt werden können. Diese Anforderungen erfüllen z. B. die Seilzug-Notschalter der Baureihe Ex ZS 92 S, mit denen Förderbänder über lange Strecken von maximal 2 x 100 Meter mit einer Not-Halt-Funktion ausgestattet werden können (Bild 06).
Fazit: Gut aufgestellt – auch in der Nische
Der Überblick zeigt: Selbst bei anspruchsvollen Nischenanwendungen wie der Kombination von (Gas- oder Staub-)Explosionsschutz und funktionaler Sicherheit hat der Konstrukteur bzw. der Anlagenbetreiber verschiedene Optionen, wenn es um die Auswahl von Schaltgeräten geht. Und selbst wenn noch weitere Anforderungen zu erfüllen sind wie Korrosionsschutz oder Vibrationsfestigkeit oder Schutz vor dem Eindringen von Staub und Feuchtigkeit, gibt es sicherheitsgerichtete und zugleich ex-geschützte Lösungen.