Im Inneren eines Getreidesilos riecht die Luft nach Feuchtigkeit und warmem Getreide. Auf den Oberflächen liegt eine Staubschicht von gerade einmal einem Millimeter Dicke. Doch sobald sie durch einen Luftstoß, die Vibrationen eines Förderbands oder das Öffnen einer Wartungsklappe aufgewirbelt wird, kann sich dieser Millimeter in eine bis zu fünf Meter hohe Wolke brennbarer Partikel verwandeln. Eine einzige Zündquelle genügt: eine heiße Oberfläche, ein Funke aus einem Stromkreis oder eine elektrostatische Entladung.

Ein Bedienpanel, das an einem solchen Ort installiert ist, arbeitet in unmittelbarer Nähe zu potenziell explosionsfähigem Material. Überschreitet seine Oberflächentemperatur die Zündtemperatur des Staubs, lässt das Gehäuse Partikel eindringen oder können elektrische Schaltkreise einen ausreichend energiereichen Funken erzeugen, wird das Gerät selbst zur Zündquelle.

Die Auswahl eines Bedienpanels für einen explosionsgefährdeten Bereich beginnt mit dem Verständnis der ATEX-Kennzeichnungen. Eine Ziffer, ein Buchstabe, eine Temperaturklasse, eine IP-Schutzart. Jedes dieser Symbole vermittelt Informationen über die physikalischen Bedingungen einer Explosion – übersetzt in die Sprache der technischen Spezifikation.

Was ist die ATEX-Richtlinie und für wen gilt sie?

ATEX ist eine Abkürzung des französischen Begriffs Atmosphères Explosibles, also „explosionsfähige Atmosphären“. Unter dieser Bezeichnung werden zwei Rechtsakte der Europäischen Union zusammengefasst, die die Sicherheit in Bereichen regeln, in denen solche Atmosphären auftreten können.

Die Richtlinie 2014/34/EU, bekannt als ATEX 114, richtet sich an Hersteller, Importeure und Händler. Sie legt die technischen Anforderungen an Geräte und Schutzsysteme fest, die für den Einsatz in potenziell explosionsfähigen Atmosphären bestimmt sind. Der Hersteller muss sicherstellen, dass sein Produkt die CE-Kennzeichnung und das Ex-Symbol trägt und über eine EU-Baumusterprüfbescheinigung einer unabhängigen notifizierten Stelle verfügt. Diese Richtlinie ersetzte die frühere Richtlinie 94/9/EG.

Die Richtlinie 1999/92/EG, bekannt als ATEX 137 oder ATEX USER, richtet sich an Arbeitgeber und Betreiber von Anlagen. Sie verpflichtet diese, explosionsgefährdete Bereiche festzulegen, eine Gefährdungsbeurteilung durchzuführen und ein Explosionsschutzdokument zu erstellen. Dieses Dokument muss eine Liste der gefährdeten Bereiche, deren Zoneneinteilung und eine Beschreibung der Schutzmaßnahmen enthalten. Arbeitgeber sind außerdem für die Schulung der Beschäftigten und für die Instandhaltung der Geräte in einem sicherheitstechnisch einwandfreien Zustand verantwortlich.

Die Zuständigkeiten sind klar geregelt. Der Hersteller entwickelt und zertifiziert das Gerät. Der Arbeitgeber legt die Zone fest und wählt geeignete Betriebsmittel aus. Die Beschäftigten halten die Sicherheitsvorschriften ein, darunter das Verbot offenen Feuers und die Einschränkung der Mobiltelefonnutzung in ausgewiesenen Bereichen, sowie die Pflicht zum Tragen persönlicher Schutzausrüstung. Die ATEX-Richtlinien gelten in allen EU- und EFTA-Staaten. In Polen wurden ihre Bestimmungen durch Verordnungen der zuständigen Minister umgesetzt.

Was zeichnet die Gaszonen 0, 1 und 2 aus?

Zonen für Gase, Dämpfe und Nebel werden anhand eines zentralen Kriteriums klassifiziert: wie häufig und wie lange eine explosionsfähige Atmosphäre an einem bestimmten Ort vorhanden ist.

• Zone 0Hier ist eine explosionsfähige Atmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden. Als Richtwert gelten mehr als 1.000 Stunden pro Jahr. Typische Bereiche sind das Innere von Tanks, chemischen Reaktoren und Rohrleitungen, durch die brennbare Stoffe transportiert werden. Geräte für Zone 0 müssen der Kategorie 1G angehören und das höchste Schutzniveau aufweisen, das als EPL Ga bezeichnet wird. EPL steht für Equipment Protection Level, also Geräteschutzniveau. Ga gewährleistet, dass das Gerät auch bei zwei gleichzeitig auftretenden, voneinander unabhängigen Fehlern sicher bleibt.
• Zone 1Diese Zone umfasst Bereiche, in denen während des Normalbetriebs gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann. Zeitlich entspricht dies etwa 10 bis 1.000 Stunden pro Jahr. Typische Beispiele sind Bereiche in der Nähe von Lüftungsöffnungen, Befüll- und Entleerungsstellen sowie undichten Ventilen. Erforderlich sind Geräte der Kategorie 2G mit EPL Gb. Dieses Schutzniveau gewährleistet Sicherheit bei einem Fehler oder häufigen Betriebsstörungen.
• Zone 2In dieser Kategorie befinden sich Bereiche, in denen eine explosionsfähige Atmosphäre normalerweise nicht auftritt. Falls sie doch entsteht, besteht sie nur kurzzeitig und ist auf eine Störung zurückzuführen, etwa einen Rohrbruch, eine beschädigte Dichtung oder eine unerwartete Leckage. Als Richtwert gelten weniger als 10 Stunden pro Jahr. Hier sind Geräte der Kategorie 3G mit EPL Gc zulässig. Sie gewährleisten, dass bei ordnungsgemäßem, störungsfreiem Betrieb keine wirksamen Zündquellen entstehen.

Die Ausdehnung und Klassifizierung einer Zone hängen von zwei Faktoren ab: der Art der Freisetzungsquelle (kontinuierlich, periodisch oder im Störungsfall) und der Wirksamkeit der Lüftung. Eine gut ausgelegte Lüftung kann den Umfang einer Gefahrenzone verringern und in Extremfällen auf ein vernachlässigbares Maß reduzieren. Die detaillierten Regeln zur Zoneneinteilung sind in EN 60079-10-1 festgelegt.

Was sind die Staubzonen 20, 21 und 22?

Staubzonen folgen demselben Grundprinzip wie Gaszonen. Die Klassifizierung beruht auf der Wahrscheinlichkeit und Dauer des Auftretens einer explosionsfähigen Atmosphäre. Die Gefahr entsteht hier durch Wolken brennbaren Staubs, die in der Luft schweben. Es gibt jedoch einen wichtigen zusätzlichen Faktor: abgelagerter Staub. Eine Staubschicht auf dem Panelgehäuse, der Tragkonstruktion oder dem Boden kann jederzeit aufgewirbelt werden und eine Staubwolke bilden.

• Zone 20Dies ist ein Bereich, in dem eine Wolke brennbaren Staubs ständig oder über lange Zeiträume vorhanden ist – mehr als 1.000 Stunden pro Jahr. Typische Beispiele sind das Innere von Silos, Mühlen, Staubfiltern und Mischern. Erforderlich sind Geräte der Kategorie 1D mit EPL Da.
• Zone 21Diese Zone umfasst Bereiche, in denen während des Normalbetriebs gelegentlich eine explosionsfähige Staubatmosphäre auftreten kann, etwa 10 bis 1.000 Stunden pro Jahr. Beispiele sind Bereiche unter Silos, Übergabestellen und die Umgebung undichter Anlagen. Erforderlich sind Geräte der Kategorie 2D mit EPL Db. Das Gehäuse muss die Schutzart IP6X erfüllen, also vollständig staubdicht sein. Die Ziffer 6 im IP-Code bedeutet, dass unter den festgelegten Prüfbedingungen kein Staub in das Gehäuse eindringt.
• Zone 22In diesen Bereichen bildet sich normalerweise keine Staubwolke. Falls sie entsteht, hält sie nur sehr kurz an – weniger als 10 Stunden pro Jahr. Typische Beispiele sind Bereiche um staubführende Anlagen, unter Förderbändern und an Wartungsklappen. Zulässig sind Geräte der Kategorie 3D mit EPL Dc. Erforderlich ist mindestens die Schutzart IP5X.

Staub wird anhand der Partikeleigenschaften und der elektrischen Leitfähigkeit in drei Untergruppen eingeteilt:

• IIIA umfasst brennbare Flusen und Fasern, beispielsweise Baumwoll- und Kunstseidefasern.
• IIIB umfasst nichtleitfähige Stäube wie Zucker, Mehl und Holzmehl.
• IIIC umfasst leitfähige Stäube, beispielsweise pulverisiertes Aluminium, Eisen oder Graphit. Die Untergruppe IIIC stellt die anspruchsvollsten Anforderungen, weil leitfähiger Staub, der in ein Gehäuse eindringt, einen Kurzschluss und eine Zündung verursachen kann.

In Staubzonen werden die aus Gaszonen bekannten Temperaturklassen T1–T6 nicht verwendet. Stattdessen gibt der Hersteller die maximale Oberflächentemperatur des Geräts direkt an, beispielsweise T80 °C oder T135 °C.

Bei der Auswahl gelten zwei Sicherheitsabstände. Die Oberflächentemperatur des Panels darf zwei Drittel der Mindestzündtemperatur der Staubwolke nicht überschreiten. Außerdem muss sie mindestens 75 °C unter der Zündtemperatur einer bis zu 5 mm dicken Staubschicht liegen. Kann sich auf dem Panelgehäuse eine mehr als 5 mm dicke Staubschicht ansammeln, muss der Sicherheitsabstand gemäß EN 60079-14 weiter erhöht werden.

Wie beeinflusst die Zone die Auswahl einer Tastatur oder eines Bedienpanels?

Jede Zone stellt konkrete Anforderungen, die ein Bedienpanel erfüllen muss. In der Industrie wird ein Bedienpanel üblicherweise als HMI bezeichnet (Human-Machine Interface): eine Anzeige mit Touchscreen oder Tastatur, über die der Bediener eine Maschine oder einen technologischen Prozess steuert. Beim Ablesen des Typenschilds müssen mehrere Parameter gleichzeitig geprüft werden.

• Gerätekategorie und ZonenhierarchieDie Kategorien 1G und 1D stehen für Geräte, die für die Zonen 0 und 20 bestimmt sind. Die Kategorien 2G und 2D sind für die Zonen 1 und 21 vorgesehen. Geräte der Kategorien 3G und 3D dürfen in den Zonen 2 und 22 eingesetzt werden. Der Buchstabe G steht für Gasatmosphären, D für Staubatmosphären.Es gilt das Hierarchieprinzip: Ein Gerät einer höheren Kategorie darf in einer Zone mit geringerem Risiko eingesetzt werden. Ein Panel der Kategorie 1G darf beispielsweise in Zone 2 montiert werden. Umgekehrt ist dies nicht zulässig. Ein Panel der Kategorie 3G in Zone 1 zu installieren, verstößt gegen die Vorschriften und schafft ein Sicherheitsrisiko.
• ExplosionsuntergruppeBei Gasen werden die Untergruppen IIA, IIB und IIC verwendet. IIA umfasst Gase, die vergleichsweise schwer zu entzünden sind, beispielsweise Propan, Aceton und Benzol. IIB umfasst Stoffe mit mittlerem Gefährdungspotenzial, etwa Ethylen. IIC ist die anspruchsvollste Gruppe und umfasst Wasserstoff, Acetylen und Schwefelkohlenstoff.Ein Gerät mit der Kennzeichnung IIC erfüllt auch die Anforderungen der Gruppen IIA und IIB. Umgekehrt gilt dies nicht: Ein Panel mit der Kennzeichnung IIA ist nicht für eine Zone geeignet, in der Wasserstoff vorkommt.Eine entsprechende Hierarchie gilt für die Staubuntergruppen IIIA, IIIB und IIIC. Ein Gerät mit der Kennzeichnung IIIC kann für alle drei Staubuntergruppen eingesetzt werden. Ein Panel der Gruppe IIIA darf nicht in Bereichen mit leitfähigen Stäuben verwendet werden.
• TemperaturklasseIn Gaszonen werden Geräte von T1 (maximale Oberflächentemperatur 450 °C) bis T6 (maximal 85 °C) klassifiziert. Die Selbstentzündungstemperatur des Gases muss über der maximalen Oberflächentemperatur des Panels liegen. T6 ist die strengste und zugleich vielseitigste Klasse, da sie die Temperaturanforderungen aller anderen Klassen erfüllt. In Staubzonen gibt der Hersteller, wie oben beschrieben, die maximale Oberflächentemperatur direkt an.
• Equipment Protection Level (EPL)EPL verbindet den ATEX-Rahmen mit internationalen IEC-Normen, was insbesondere beim Export von Geräten außerhalb Europas relevant ist. Ga und Da stehen für das höchste Schutzniveau und sind für die Zonen 0 und 20 bestimmt. Gb und Db entsprechen den Zonen 1 und 21. Gc und Dc reichen für die Zonen 2 und 22 aus.
• Die Buchstaben „X“ und „U“ im ZertifikatDer Buchstabe „X“ am Ende einer ATEX-Zertifikatsnummer bedeutet, dass zusätzliche Bedingungen für die sichere Verwendung gelten. Dazu können beispielsweise das Verbot der Reinigung mit einem trockenen Tuch aufgrund elektrostatischer Aufladung, die Verwendung bestimmter Kabelverschraubungen oder ein vorgeschriebener Mindestabstand um das Gehäuse gehören. Die Einzelheiten stehen in der Baumusterprüfbescheinigung und müssen vor der Montage geprüft werden.Der Buchstabe „U“ kennzeichnet eine Ex-Komponente und kein eigenständiges, vollständiges Produkt. Eine Membrantastatur mit der Kennzeichnung „U“ muss in ein zertifiziertes Gehäuse integriert werden, damit die gesamte Baugruppe die ATEX-Anforderungen erfüllt und die CE-Kennzeichnung tragen darf. Die Komponente selbst ist nicht für den eigenständigen Einsatz in einem explosionsgefährdeten Bereich zugelassen.

Zündschutzarten

Hersteller von HMI-Panels verwenden unterschiedliche Schutztechniken, die durch Ex-Kennzeichnungen ausgewiesen werden:

• Ex i (Eigensicherheit) begrenzt die elektrische Energie in den Stromkreisen auf ein Niveau, bei dem ein möglicher Funke zu schwach ist, um die explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden. Diese Methode ist bei Membrantastaturen und Sensoren verbreitet. Sie ermöglicht leichte, ergonomische Schnittstellen ohne schwere Gehäuse.
• Ex d (druckfeste Kapselung) bedeutet, dass das Gehäuse einer Explosion im Inneren des Geräts standhält und verhindert, dass sich die Flamme nach außen ausbreitet. Diese Lösung ist schwer und kostspielig und wird dort eingesetzt, wo Panelkomponenten während des normalen Betriebs Funken erzeugen können.
• Ex p (Überdruckkapselung) beruht darauf, das Innere eines Schaltschranks mit sauberer Luft oder Schutzgas unter Überdruck zu füllen. Dadurch wird das Eindringen der explosionsfähigen Atmosphäre verhindert. Bei großen Anlagen mit mehreren HMI-Panels kann dies eine wirtschaftliche Lösung sein.
• Ex t (Schutz durch Gehäuse) wird in Staubzonen eingesetzt. Dabei sorgt eine ausreichend hohe IP-Schutzart dafür, dass kein Staub in das Gehäuse eindringt.
• Ex m (Vergusskapselung) bedeutet, dass zündfähige Komponenten, etwa Displaymodule oder Spulen, in eine isolierende Vergussmasse eingebettet werden, die sie dauerhaft von der umgebenden Atmosphäre trennt.

Bei modernen Panels werden häufig mehrere Schutzarten kombiniert, beispielsweise ein druckfestes Gehäuse für die Hauptkomponenten und eigensichere Stromkreise für eine externe Tastatur.

Neben den Zertifizierungsparametern muss ein Bedienpanel für einen Ex-Bereich auch praktische Anforderungen erfüllen. Der Touchscreen sollte auf Berührungen mit Arbeitshandschuhen reagieren. Deshalb wird häufig resistive Technologie eingesetzt, die auf Druck statt auf die elektrische Leitfähigkeit des Fingers reagiert. Das Display muss aus großen Blickwinkeln und auch bei starkem Lichteinfall gut lesbar bleiben. Ex-Bereiche befinden sich mitunter im Freien, beispielsweise auf Offshore-Bohrplattformen, wo intensive Sonneneinstrahlung und Sole zusätzliche Anforderungen an die Materialien stellen.

Was sind die häufigsten Fehler bei der Auswahl von Geräten für Ex-Zonen?

Fehler bei der Auswahl von Panels für ATEX-Zonen haben eines gemeinsam: Sie entstehen, wenn die Kennzeichnung nur oberflächlich gelesen oder ein einzelner Parameter übersehen wird.

Der erste und möglicherweise kostspieligste Fehler ist die Installation eines IIA-Panels in einem Bereich, in dem Wasserstoff vorkommt und daher Geräte der Gruppe IIC erforderlich sind. Die Explosionsuntergruppe bestimmt, in Gegenwart welcher Stoffe das Gerät sicher betrieben werden darf. Ein IIA-Panel ist nicht für Gase mit besonders niedriger Zündenergie ausgelegt. Das Zertifikat lässt einen solchen Einsatz nicht zu, und die Folgen einer Überschreitung der zulässigen Einsatzbedingungen können unmittelbar eintreten.

Der zweite Fehler betrifft die Temperaturklasse. Wenn sich das Gas im Bereich bei 100 °C entzündet, ist ein Panel der Klasse T4 mit einer maximalen Oberflächentemperatur von 135 °C zu heiß. Erforderlich ist die Klasse T6 mit maximal 85 °C. Auf dem Papier mag der Unterschied gering erscheinen. Tatsächlich entscheidet er darüber, ob die Geräteoberfläche zu einer Zündquelle werden kann.

Der dritte Fehler besteht darin, eine Ex-Komponente mit einem vollständigen Gerät zu verwechseln. Eine mit „U“ gekennzeichnete Tastatur muss in ein zertifiziertes Gehäuse integriert werden. Wird sie ohne geeignete Integration eigenständig montiert, erfüllt das resultierende Produkt die ATEX-Anforderungen weder formal noch in der praktischen Ausführung.

Gefährlich ist auch, die IP-Schutzart nicht an die Staubzone anzupassen. In Zone 21 ist vollständige Staubdichtheit gemäß IP6X erforderlich. Wird dort ein Panel mit IP5X installiert, können feine Staubpartikel in das Gehäuse eindringen. Bei leitfähigen Stäuben der Untergruppe IIIC kann dies zu einem Kurzschluss führen.

Ein weiterer Fehler ist die Missachtung der Temperaturabstände bei abgelagertem Staub. Wenn sich auf dem Panelgehäuse eine Staubschicht von mehr als 5 mm bildet, reichen die üblichen Sicherheitsabstände nicht aus. EN 60079-14 verlangt, diese Abstände zu vergrößern. Viele Installateure übersehen dies, weil die Staubschicht selten das Erste ist, worauf sie achten.

Weniger häufig diskutiert wird die Auswahl einer höheren Schutzkategorie ohne Kostenanalyse. Ein Panel der Kategorie 1G in Zone 2 ist sicher und regelkonform. Es ist allerdings um ein Mehrfaches teurer als ein Panel der Kategorie 3G, das für diese Zone ausreichen würde. Ein überdimensionierter Schutz verstößt nicht gegen die Vorschriften, belastet aber das Budget, ohne die Sicherheit proportional zu erhöhen.

Wie geht QWERTY bei der Auswahl vor?

Bei QWERTY entwickeln wir Membran- und Folientastaturen für den Einsatz in ATEX-Zonen von Zone 0 bis Zone 22. Wir beginnen bei den Materialien, denn sie müssen so ausgewählt werden, dass sie keine Funken erzeugen, keine elektrostatischen Ladungen ansammeln und keine Temperaturen erreichen, die die umgebende Atmosphäre entzünden könnten. Von diesen Entscheidungen hängt die gesamte weitere Konstruktion ab.

Die Dichtungen unserer Tastaturen werden entsprechend den Anforderungen beider Arten von Gefahrenzonen ausgelegt. In Staubzonen verhindern sie, dass Partikel ins Innere gelangen; in Gaszonen erschweren sie das Eindringen brennbarer Stoffe. Ex-gekennzeichnete Tastaturen werden von Beginn der Entwicklung an auf diese Anforderungen ausgelegt. Das erleichtert dem Kunden die ATEX-Zertifizierung des vollständigen Endprodukts.

Wir fertigen Ex-Komponenten, die mit dem Buchstaben „U“ gekennzeichnet sind. Die Tastatur ist für den Einbau in das zertifizierte Gehäuse des Kunden vorgesehen. Wir zertifizieren nicht das fertige Endprodukt, sondern liefern eine Komponente, die dessen Zertifizierung ermöglicht. Dieser Unterschied ist wesentlich, denn die Verantwortung für die Integration der Komponenten in ein vollständiges Gerät liegt beim Endhersteller.

Hintergrundbeleuchtung, Glasfronten und optisches Bonding – ein Verfahren, bei dem Schichten miteinander verklebt werden, um den Luftspalt zwischen Glas und Display zu beseitigen und dadurch Lesbarkeit und mechanische Widerstandsfähigkeit zu verbessern – lassen sich auch unter Einhaltung der Ex-Sicherheitsanforderungen realisieren. Jedes dieser Elemente wird vor der Serienfertigung daraufhin geprüft, wie es sich auf die Parameter des Explosionsschutzes auswirkt.

Unsere Lösungen kommen in Raffinerien, Chemieanlagen, Bergwerken und auf Offshore-Bohrplattformen zum Einsatz. Wir entwickeln für Bedingungen, unter denen ein Bedienpanel Salz, Feuchtigkeit, extremen Temperaturen und Vibrationen standhalten muss und gleichzeitig eine gut lesbare Anzeige sowie eine präzise Bedienung mit Arbeitshandschuhen gewährleisten soll.

Im Getreidesilo aus dem ersten Absatz ist die Staubschicht noch immer nur einen Millimeter dick. Noch immer genügt eine einzige Zündquelle, um daraus eine fünf Meter hohe Wolke brennbarer Partikel zu machen. Zwischen „sicher“ und „zu spät“ stehen einige Symbole auf dem Typenschild des Bedienpanels: Gerätekategorie, Explosionsuntergruppe, Temperaturklasse, IP-Schutzart und Zündschutzart. Diese Kennzeichnungen lesen zu können, ist die Grundlage einer Entscheidung, von der die Sicherheit der Anlage und der Menschen abhängt, die dort arbeiten.