5 Maßnahmen zur Prozesssicherung

5.1 Überblick In den bisherigen Ausführungen wurden die hauptsächlichen inhaltlichen Schwerpunk-te der Projektierungsarbeit beschrieben und erläutert. Zusätzlich dazu muss unbedingt auch das Thema „Prozesssicherung“ betrachtet werden, weil die Prozesssicherung eine wichtige Ergänzung der Projektierungsarbeit ist (vgl. hierzu auch Ausführungen im Abschnitt 3.1). Dabei liegt auf der Hand, dass zum Beispiel für die Automatisierung eines Kernkraftwerkes bedeutend höhere Anforderungen umzusetzen sind, als für die Automatisierungsanlage einer Brauerei. Projektierungsleistungen zur Prozesssiche-rung erfordern daher vom Projektierungsingenieur viel Erfahrung und sind ein wesent-licher Beitrag für den sicheren Betrieb einer Automatisierungsanlage. Die nachfolgen-den Ausführungen können sich daher nur auf die Erläuterung prinzipieller Herange-hensweisen beziehen, wobei der Basisansatz entsprechend VDI/VDE 2180 [54] die Grundlage bildet.

5.2 Basisansatz nach VDI/VDE 2180 Zur Erhöhung der Prozesssicherheit empfiehlt VDI/VDE 2180 [54] eine niveaugestufte Erweiterung der Automatisierungsanlage. Das bedeutet, es werden zusätzliche Auto-matisierungsmittel projektiert und in die vorhandene Automatisierungsanlage integriert bzw. parallel zu dieser installiert. Hierzu werden folgende Stufen unterschieden: Stufe 1: In Stufe 1 werden prozessleittechnische Einrichtungen, basierend auf Sen-

sorik, Aktorik und Prozessorik für die Realisierung des Nominalbetriebs sowie weitere Sensoren für die Überwachung von Grenzwerten der Pro-duktionsanlage eingesetzt. Dabei wird von der Grundüberlegung ausge-gangen, dass die für den Nominalbetrieb projektierte Sensorik bzw. Aktorik im Zusammenwirken mit den in der Prozessorik implementierten Steuer- bzw. Regelalgorithmen die Produktionsanlage immer in den von der Ver-fahrenstechnik festgelegten Arbeitsbereich führen bzw. dort halten. Bewe-gen sich aber einzelne Prozessparameter aus diesem Arbeitsbereich her-aus, sprechen die Überwachungssensoren an und führen durch entspre-chende Steuereingriffe die Prozessparameter aus dem zulässigen Grenz-bereich in den Arbeitsbereich – nach VDI/VDE 2180 auch als Gutbereich bezeichnet – zurück.

Stufe 2: In Stufe 2 wird nun davon ausgegangen, dass auch die Überwachungs-sensoren ausfallen können und damit entsprechende Prozessparameter weiter in den noch zulässigen Fehlbereich abdriften können. Damit die Automatisierungsanlage auch auf diese verschärfte Prozesssituation rea-gieren kann, werden zusätzliche, von der vorhandenen Automatisierungs-anlage unabhängige, hilfsenergielose prozessleittechnische Schutzeinrich-tungen, z. B. Überdruckventile, Überströmventile u. ä. Automatisierungs-mittel, für die Prozesssicherung eingesetzt. Damit gelingt es, die Produk-tionsanlage vor kritischen Betriebszuständen, nach VDI/VDE 2180 als un-zulässige Fehlbereiche bezeichnet, zu bewahren und durch entsprechen-de Noteingriffe wieder in den Arbeitsbereich zurückzuführen.

T. Bindel, D. Hofmann, Projektierung von Automatisierungsanlagen,DOI 10.1007/978-3-8348-2082-2_5, © Springer Fachmedien Wiesbaden 2013

5.3 Bemerkungen zum Explosionsschutz 193

Stufe 3: Stufe 3 umfasst die Stufen 1 und 2, wobei zusätzlich eine weitere prozess-leittechnische Schutzeinrichtung – basierend auf kompletter Ausstattung mit Sensorik, Aktorik sowie Prozessorik – projektiert und in „heißer“ Re-dundanz zur vorhandenen Automatisierungsanlage bereitgehalten wird. Damit verfügt die Automatisierungsanlage über eine zusätzliche Automati-sierungsstruktur, die bei entsprechenden Funktionsstörungen der für den Gutbereich zuständigen prozessleittechnischen Einrichtung einschließlich PLT-Schutzeinrichtung (aus Stufe 2) den weiteren Betrieb der Produkti-onsanlage übernimmt und sichert.

5.3 Bemerkungen zum Explosionsschutz Im Rahmen der Prozesssicherheit kommt auch dem Explosionsschutz (Ex-Schutz) eine tragende Bedeutung zu. Das heißt, je nach zu automatisierender Prozessverfah-renstechnik sind häufig explosionsgefährdete Prozessabschnitte in Produktionsanla-gen vorhanden, so dass eine zu projektierende Automatisierungsanlage zumindest in diesen Prozessabschnitten explosionssicher ausgelegt werden muss. Solche Pro-zessabschnitte bzw. auch komplette Produktionsanlagen findet man zum Beispiel in Lackfabriken, Zementwerken, Tanklagern, aber auch in Mühlen oder Kläranlagen. Für die Projektierung dieser Anlagen werden nachfolgend grundlegende Hinweise gege-ben, wobei nach [49] und [55] dafür auch die „Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Räumen – Elex V“ [56] und weitere Vorschriften heranzuzie-hen sind. Gleichzeitig gilt aber auch für dieses Projektierungsfeld, dass die Erfahrun-gen des Projektierungsingenieurs sowie das entsprechende Firmen-Know How Funk-tionalität und Prozesssicherheit der projektierten Automatisierungsanlage entschei-dend mitbestimmen. Bei jedem Automatisierungsprojekt sind daher im Zusammenwir-ken mit dem Verfahrenstechniker die explosionsgefährdeten Bereiche festzulegen und in eine der sogenannten Ex-Zonen einzuordnen. Zunächst wird der Begriff „Ex-Zone“ erläutert. Die Einteilung der explosionsgefährde-ten Anlagenabschnitte erfolgt gemäß Elex V, wobei 11 Zonen unterschieden werden, deren Relevanz für den Ex-Schutz einer Automatisierungsanlage und damit für die Projektierung der Automatisierungsanlage unterschiedlich ist. Für Automatisierungs-anlagen wesentliche Ex-Zonen werden nachfolgend kurz vorgestellt. Es gilt folgende Gruppen- bzw. Zoneneinteilung: Gruppe 1 — Explosionsgefährdung durch Gase, Dämpfe oder Nebel für komplet-

te Anlagen bzw. Anlagenabschnitte: - Zone 0: Bereiche mit ständiger oder langzeitiger Explosionsgefährdung, - Zone 1: Bereiche mit gelegentlicher Explosionsgefährdung, - Zone 2: Bereiche mit seltener Explosionsgefährdung,

Gruppe 2 — Explosionsgefährdung durch Stäube für komplette Anlagen bzw. An-lagenabschnitte: - Zone 10: Bereiche mit häufiger oder langzeitiger Explosionsgefährdung, - Zone 11: Bereiche mit gelegentlicher Explosionsgefährdung,

Gruppe 3 — Explosionsgefährdung durch Erzeugung oder Anwendung explo-sionsfähiger Gasgemische für medizinisch genutzte Räume: - Zone G bzw. M: Bereiche mit dauernder oder zeitweiser Explosionsgefährdung.

194 5 Maßnahmen zur Prozesssicherung

Der Projektierungsingenieur muss also entscheiden, welche Ex-Zonen er für die Auto-matisierungsanlage berücksichtigen muss. Die Anforderungen des Explosionsschut-zes beeinflussen selbstverständlich auch Entwicklung und Bauformen von Automati-sierungsmitteln, insbesondere der Sensorik bzw. Aktorik. Diese Feldgeräte sind in explosionssicherer Ausführung generell durch das im Bild 5-1 dargestellte Symbol als äußere gut sichtbare Kennzeichnung für explosionsgeschützte Technik gekennzeich-net und nahezu ausnahmslos in explosionsgefährdeten Automatisierungsanlagen einzusetzen. Darüberhinaus erkennt man diese Automatisierungsmittel auch sofort an ihrer robusten Bauform bzw. robusten Gehäuseausführung.

Bild 5-1: Ex-Zeichen entsprechend Elex V [49]

Zur Realisierung dieser explosionsgeschützten Automatisierungsmittel werden be-währte konstruktive Prinzipien angewendet, die unter dem Fachbegriff „Zündschutz-arten“ zusammengefasst sind. Zur besseren Veranschaulichung werden dazu als Auszug im Bild 5-2 einige Beispiele vorgestellt. Nähere Erläuterungen sind z. B. DIN EN 60079 [57] zu entnehmen. Das erste Beispiel beschreibt die Zündschutzart „Druckfeste Kapselung – d“ nach DIN EN 60079-1 [58] (vgl. Bild 5-2a), wobei durch Konstruktion eines druckfesten Gehäuses verhindert wird, dass Explosionen im Inneren des Gehäuses Schäden in der äußeren Umgebung verursachen. Eine weitere Möglichkeit bietet die Zündschutz-art „Eigensicherheit i“ nach DIN EN 60079-11 [59] (vgl. Bild 5-2b). In einem eigensi-cheren Stromkreis wird die Stromkreisenergie so begrenzt, dass weder im Nominalbe-trieb noch im Fehlerfall eine explosionsfähige Umgebung durch zum Beispiel Zünd-funken oder Lichtbogen entzündet wird. Schließlich kann auch die Zündschutzart „Vergusskapselung – m“ nach DIN EN 60079-18 [60] eingesetzt werden (vgl. Bild 5-2c), bei welcher Bauelemente, die eine explosionsfähige Umgebung zünden könnten, so in einer Vergussmasse eingeschlossen sind, dass keinerlei Schäden in der äußeren Umgebung verursacht werden.

5.4 Schutzgrade elektrischer Automatisierungsmittel 195

Bild 5-2: Beispiele für Zündschutzarten [49]

5.4 Schutzgrade elektrischer Automatisierungsmittel Schließlich ist in diesem Zusammenhang auch die Problematik des Berührungs- und Fremdkörperschutzes sowie der Schutzgrade des Wasserschutzes anzusprechen. Diese Schutzfunktionalitäten sind gleichfalls für die Auswahl und Projektierung der auf elektrischer Hilfsenergie basierenden Automatisierungsmittel wichtig und durch ent-sprechende Kennzeichnung nach DIN EN 60529 [61] auf diesen Automatisierungsmit-teln kenntlich zu machen. Dafür wird eine Kennzeichnung aus entsprechenden Kenn-ziffern verwendet, die wie folgt aufgebaut ist: IP

Angabe zum Berührungs- und Fremdkörperschutz (Tabelle 5-1) Angabe zum Wasserschutz (Tabelle 5-2)

Für den Berührungs- und Fremdkörperschutz sind die nachfolgend genannten Schutz-grade festgelegt (Tabelle 5-1).

a) Druckfeste Kapselung „d“

b) Eigensicherheit „i“

c) Vergusskapselung „m“

U

196 5 Maßnahmen zur Prozesssicherung

Tabelle 5-1: Schutzgrade für den Berührungs- und Fremdkörperschutz [49]

Erste Kennziffer Schutzgrad

0 Kein besonderer Schutz.

1 Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern mit einem Durchmesser größer als 50 mm, kein Schutz gegen absichtlichen Zugang z. B. mit der Hand, jedoch Fernhalten großer Körperflächen.

2 Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern mit einem Durchmesser größer als 12 mm, Fernhalten von Fingern oder vergleichbaren Gegenständen.

3 Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern mit einem Durchmesser größer als 2,5 mm (kleine Fremdkörper), Fernhalten von Werkzeugen, Drähten oder ähnlichem von einer Dicke größer als 2,5 mm.

4 Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern mit einem Durchmesser größer als 1mm (kornförmige Fremdkörper), Fernhalten von Werkzeugen, Drähten oder ähnlichem von einer Dicke größer als 1 mm.

5

Schutz gegen schädliche Staubablagerungen. Das Eindringen von Staub ist nicht vollkommen verhindert. Der Staub darf nicht in solchen Mengen eindrin-gen, dass die Arbeitsweise des Betriebsmittels beeinträchtigt wird (staubge-schützt).

6 Schutz gegen Eindringen von Staub, vollständiger Berührungsschutz. Für den Wasserschutz sind nach DIN EN 60529 [61] ebenfalls Schutzgrade festge-legt, die nachfolgend aufgeführt werden (vgl. Tabelle 5-2). Tabelle 5-2: Schutzgrade für den Wasserschutz [49]

Zweite Kennziffer Schutzgrad

0 Kein besonderer Schutz

1 Schutz gegen tropfendes Wasser, das senkrecht fällt. Es darf keine schädliche Wirkung haben (Tropfwasser).

2 Schutz gegen tropfendes Wasser, das senkrecht fällt. Bei Kippen des Be-triebsmittels um 15° bezüglich seiner normalen Lage darf es keine schädliche Wirkung haben (schrägfallendes Tropfenwasser).

3 Schutz gegen Wasser, das in einem beliebigen Winkel bis zu 60° zur Senk-rechten fällt. Es darf keine schädliche Wirkung haben (Sprühwasser).

4 Schutz gegen Wasser, das aus allen Richtungen gegen das Betriebsmittel spritzt. Es darf keine schädliche Wirkung haben (Strahlwasser).

5 Schutz gegen einen Wasserstrahl aus einer Düse, der aus allen Richtungen gegen das Betriebsmittel gerichtet wird. Es darf keine schädliche Wirkung haben (Strahlwasser).

6 Schutz gegen schwere See oder starken Wasserstrahl. Wasser darf nicht in schädlichen Mengen in das Betriebsmittel eindringen (Überfluten).

7 Schutz gegen Wasser, wenn das Betriebsmittel unter festgelegten Druck- und Zeitbedingungen in Wasser getaucht wird. Wasser darf nicht in schädlichen Mengen eindringen (Eintauchen).

8 Das Betriebsmittel (Gehäuse) ist geeignet zum dauernden Untertauchen in Wasser bei Bedingungen, die durch den Hersteller zu beschreiben sind.