RFID in der Lackiererei: Wenn der Funke nicht überspringen darf

Autor: DerSchneider

Einleitung

Auf den ersten Blick wirkt die Kombination aus funkbasiertem RFID-Tracking und einer Lackiererei wie eine riskante Ehe. Hier hochfrequente elektromagnetische Wellen, dort leicht entzündliche Lösemitteldämpfe – doch die Industrie verlangt genau solche Verbindungen: Transparenz in Echtzeit, auch in explosionsgefährdeten Bereichen. Ein 868-MHz-Sende- und Antennenmodul verspricht Reichweite und Durchdringung, aber ohne geeigneten Explosionsschutz wird aus dem nützlichen Helfer schnell ein Zündfunke. Dieser Artikel beleuchtet die technischen, normativen und praktischen Hürden, die es zu überwinden gilt. Er richtet sich an Elektrofachkräfte, Anlagenplaner und alle, die in der Prozessindustrie den Spagat zwischen Digitalisierung und Sicherheit meistern müssen.

Hauptteil

1. Die Physik der Gefahr: Warum Lackierereien besonders sensibel sind

Lackierereien gehören zu den klassischen Bereichen mit explosionsfähiger Atmosphäre (Ex-Bereich). Die Ursache: Lacke, Lösemittel und Reinigungsmittel enthalten flüchtige organische Verbindungen (VOC) wie Benzol, Toluol, Xylol, Ethylacetat oder Aceton. Bereits geringe Mengen reichen aus, um mit der Umgebungsluft ein zündfähiges Gemisch zu bilden. Die Zündtemperaturen dieser Stoffe liegen oft zwischen 200 °C und 500 °C, manche (wie Schwefelkohlenstoff) zünden schon unter 100 °C. Die Mindestzündenergie (MIE) vieler Lösemitteldämpfe beträgt nur 0,1 bis 0,5 mJ – ein Wert, den statische Entladungen oder kleine Schaltfunken leicht überschreiten.

Ein aktives RFID-Modul generiert nicht nur hochfrequente Signale, sondern enthält auch Gleichspannungswandler, Oszillatoren und potenziell trennende Kontakte (z. B. in Relais oder Steckverbindern). Jeder dieser Punkte kann unter Störungsbedingungen zur Zündquelle werden. Hinzu kommt die Antenne: Sie strahlt nicht nur, sondern kann bei unsachgemäßer Ausführung auch Oberflächenladungen erzeugen.

2. Zoneneinteilung – Die Landkarte der Explosionsgefahr

Bevor überhaupt ein Gerät ausgewählt wird, muss die Betreiberfirma den Bereich zonenmäßig klassifizieren (nach IEC 60079-10 oder TRGS 720). In Lackierereien typisch:

Viele RFID-Module werden in Zone 2 installiert – etwa zur Fahrzeugverfolgung auf einer Lackierstraße. Allerdings ist auch Zone 1 möglich, wenn das Modul nahe an einem Abfüllstutzen oder einem offenen Bottich sitzt. Kein Hersteller bietet jedoch serienmäßige 868‑MHz‑RFID‑Module für Zone 0 an – dort sind nur rein passive, eigensichere Systeme ohne aktive Sendeleistung denkbar.

3. Explosionsschutzarten: Die vier Wege zur Sicherheit

Für elektrische Betriebsmittel in Ex-Bereichen definiert die IEC 60079 Reihe mehrere Schutzprinzipien. Die relevantesten für ein 868‑MHz‑Modul sind:

In der Praxis dominieren Eigensicherheit (Ex ib für Zone 1, Ex ic für Zone 2) und – wenn hohe Sendeleistungen benötigt werden – die Druckkapselung (Ex d) in einem separaten, antennenlosen Modul, wobei die Antenne selbst in Ex e (erhöhte Sicherheit) oder Ex nA (unfunkenbildend) ausgeführt wird.

Ein spezielles Problem ist die Antenne: Sie kann nicht eingekapselt werden, ohne ihre Funkwirkung zu verlieren. Hier kommen ex‑zertifizierte Mantelstrahler mit kapazitiver Ankopplung zum Einsatz, bei denen die strahlenden Teile vollständig von einem dielektrischen Material umgeben sind.

4. 868 MHz – Ein Segen mit Fallstricken

Das 868‑MHz‑Band (früher SRD‑Band) wird in Europa für telemetrische Anwendungen, Funkfernbedienungen und auch RFID‑Systeme genutzt. Vorteile in einer Lackiererei:

• Gute Durchdringung von Hindernissen (Rohre, Wände im Vergleich zu 2,4 GHz).
• Geringere Anforderung an die Sendeleistung (typisch 10–25 mW ERP), dadurch einfacher eigensicher zu realisieren.
• Weniger empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Lacknebeln.

Nachteile:

• Antennenabmessungen (λ/4 ≈ 86 mm) erfordern beachtliche Bauhöhen, was in Ex‑Gehäusen Platz kostet.
• Störempfindlichkeit gegenüber Schweißumrichtern oder Frequenzumrichtern, die in der Nähe von Lackieranlagen stehen.

Vor der Entscheidung für 868 MHz sollte eine EMV‑Verträglichkeitsprüfung im Ex‑Kontext stehen – denn ein gestörtes Modul könnte durch unkontrollierte Oszillationen zusätzliche thermische Belastungen erzeugen.

5. Zertifizierung und Gerätekennzeichnung nach ATEX/IECEx

Ein in einer Lackiererei installiertes 868‑MHz‑Modul benötigt eine Baumusterprüfbescheinigung (z. B. nach ATEX 2014/34/EU oder IECEx). Die Kennzeichnung (Beispiel) könnte lauten:

II 2G Ex ib IIB T4 Gb
Bedeutung:

• II – Gerätegruppe (Industrie, nicht Bergbau)
• 2G – Gerätekategorie 2 für Gase (Zone 1)
• Ex ib – Eigensicherheit, Ausfall bis zu zwei Fehlern sicher
• IIB – Gasgruppe (repräsentiert typische Lösemittel wie Aceton, Ethanol; IIA wäre leichter, IIC für Wasserstoff)
• T4 – Temperaturklasse ≤135 °C (für die meisten Lackdämpfe ausreichend)
• Gb – Equipment Protection Level (EPL) Gb für Zone 1

Für Zone 2 wäre es II 3G Ex ic IIC T4 Gc. Wichtig: Auch die Antenne muss als eigenständiges Ex‑Betriebsmittel zertifiziert sein, wenn sie nicht fest mit dem Modul vergossen ist.

6. Historische Entwicklung: Von mechanischen Funken zu solid‑state Sicherheit

Noch in den 1980er Jahren waren aktive elektronische Geräte in Ex‑Bereichen verpönt. Man behalf sich mit pneumatischen oder hydraulischen Systemen, etwa pneumatische Positionsmelder oder rein passive RFID‑Tags (die keine eigene Energie benötigen). Der Durchbruch kam mit der Einführung der Eigensicherheit für komplexe Schaltungen. In den 1990er Jahren erlaubten integrierte Strombegrenzer und Bandgap‑Referenzen, dass Mikrocontroller und Funksender in Ex ia‑Schutzart betrieben werden konnten. Die ersten ISM‑Band‑Funksysteme für Zone 1 kamen um 2005 auf den Markt – nachdem die Normen IEC 60079‑11 (Eigensicherheit) und IEC 60079‑0 (Allgemeine Anforderungen) überarbeitet wurden.

Die 868‑MHz‑Technologie selbst entstand aus ehemaligen Militärfrequenzen – der europäische Harmonized Standard EN 300 220 definiert seit 2000 die Parameter für kurze Reichweiten. Ihre Kombination mit Eigensicherheit ist eine Errungenschaft der letzten 15 Jahre, getrieben vom Bedarf der chemischen und petrochemischen Industrie.

7. Kontroversen: Kann ein funktional sicherer Funkknoten wirklich eigensicher sein?

Ein Streitpunkt in Fachkreisen ist die Frage, ob ein aktiver 868‑MHz‑Sender überhaupt das Niveau von Ex ib erreichen kann, ohne die Reichweite zu sehr einzuschränken. Die Kritiker (z. B. aus dem Umfeld der PTB) argumentieren: Der Sender enthält Spulen und Kondensatoren, die im Fehlerfall (etwa einem Kurzschluss im Oszillator) Energien freisetzen können, die weit über den im Ex‑Zertifikat angesetzten Grenzwerten liegen. Die Befürworter (Hersteller wie Pepperl+Fuchs, R. STAHL) verweisen auf aufwändige Begrenzungsschaltungen mit mehreren redundanten Dioden und Widerständen, die selbst bei zwei unabhängigen Fehlern die zulässige Energie von typisch 20 µJ nicht überschreiten.

Eine zweite Kontroverse: Die Antennenkabel. Um die Antenne außerhalb eines druckfesten Gehäuses betreiben zu können, wird eine Ex‑geprüfte Kabeldurchführung und eine Potentialausgleichsschiene benötigt. Bei Koaxialkabeln ist der Innenleiter gegen Masse abzusichern – eine versehentliche Unterbrechung der Schirmung könnte die Funkengefahr erhöhen. Viele Ingenieure halten es daher für sicherer, die Antenne direkt im selben Ex‑d‑Gehäuse unterzubringen – dann leidet aber die Ausbreitung der Funkwellen.

8. Praxisbeispiel: Installation eines 868‑MHz‑RFID‑Moduls in einer PKW‑Lackiererei

Nehmen wir eine konkrete Anlage: Eine Lackierstraße für Autokarosserien. In der Trocknungszone herrscht eine Temperatur von 80 °C und es sind regelmäßig Lösemitteldämpfe (Ethylacetat, Zündtemperatur 427 °C) vorhanden, aber nur während des Ein- und Ausfahrens. Die Zone ist als Zone 2 klassifiziert.

Gewählt wird ein Modul des Herstellers X mit ATEX‑Zertifikat II 3G Ex ic IIC T4 Gc für eine Umgebungstemperatur von -20 bis +60 °C (hier reicht die Anforderung nicht bis 80 °C – ein häufiger Fehler!). Die tatsächliche Temperatur am Montageort wird mit einem zusätzlichen Thermoelement überwacht und auf <60 °C gehalten – durch eine kleine Luftspülung (Ex‑p). Die RFID‑Antenne ist als Ex‑nA‑geprüfter Stabstrahler ausgeführt, der an einem geerdeten Edelstahlrohr befestigt wird. Das Koaxialkabel (RG‑58) wird über eine Ex‑e‑Kabelverschraubung (erhöhte Sicherheit) in das Gerätegehäuse geführt. Die Kabeldurchführung ist für Temperaturklasse T4 ausgelegt.

Vor der Inbetriebnahme: Eine Zündgefahrenanalyse (nach IEC 60079‑14) bestätigt, dass im Normalbetrieb keine Funken entstehen. Das Modul wird über eine Trennschutzkappe (Galvanische Trennung) an eine 24‑V‑Gleichspannung angeschlossen – die Kappe ist ebenfalls eigensicher. Das Ergebnis: Das System sendet zuverlässig und erhält die Ex‑Sicherheit.

9. Alternativen und Zukunftsperspektiven

Wenn kein kommerzielles 868‑MHz‑Ex‑Modul verfügbar ist, bleiben drei Auswege:

1. Platzierung außerhalb der Ex‑Zone mit Funkdurchtritt durch explosionsdruckfeste, dielektrische Fenster (teuer, aber möglich).
2. Nutzung eines passiven RFID‑Systems (z. B. 13,56 MHz), das nur beim Anlesen durch einen externen Leser Energie bekommt. Der Leser selbst wird in Zone 2/1 betrieben – dieser muss dann allerdings zugelassen sein.
3. Pneumatische Identifikation, z. B. durch codierte Druckimpulse – historisch, aber für manche Anwendungen immer noch zulässig.

Die Zukunft liegt in Funkmodulen nach IEC 60079‑47 (in Vorbereitung), die speziell für 5G‑ und IoT‑Anwendungen niedrige Funkleistungen standardisieren. Erste Forschungsprojekte (z. B. vom Ex‑Zentrum Hannover) zeigen, dass mit 868 MHz bei 5 mW Sendeleistung selbst Zone‑0‑Zulassungen denkbar werden – wenn die Schaltung vollständig vergossen wird und die Antenne nur als kapazitiver Ausleger fungiert.

Fazit und Ausblick

Die Installation eines 868‑MHz‑RFID‑Trackingmoduls in einer Lackiererei ist technisch machbar, aber normativ anspruchsvoll. Es genügt nicht, ein beliebiges ISM‑Band‑Modul zu nehmen und in ein IP‑Gehäuse zu setzen. Die drei Säulen des Ex‑Schutzes – Eigensicherheit, korrekte Zonenzuordnung und zertifizierte Komponenten – müssen gleichermaßen beachtet werden. Besondere Fallstricke lauern bei der Antennenführung, der maximalen Oberflächentemperatur und der EMV‑Stabilität.

Für den Praktiker gilt: Prüfen, prüfen, prüfen! Zertifikate sind kein Freifahrtschein – sie gelten nur exakt für die geprüfte Konfiguration. Die Beschaffung eines fertigen, Ex‑zugelassenen 868‑MHz‑RFID‑Moduls (z. B. von Herstellern wie Ecom, Getec oder Extronics) ist teurer als Bastellösungen, aber im Zweifel die einzige rechtssichere Option. Betreiber von Lackieranlagen tun gut daran, einen Sachkundigen für Explosionsschutz (z. B. TRGS 720‑Fachkraft) in die Planung einzubeziehen.

Die Digitalisierung wird auch vor explosionsgefährdeten Bereichen nicht Halt machen. In zehn Jahren werden wir wahrscheinlich auf drahtlose, energieautarke Ex‑Sensoren im 868‑MHz‑Band zurückblicken wie heute auf das Pneumatikrohr. Aber bis dahin bleibt die alte Ingenieursweisheit gültig: Sicherheit geht vor Funktionalität – und die korrekte Normenkenntnis ist der beste Zündschutz.

Quellen

1. IEC 60079-11:2011 – Explosive atmospheres – Part 11: Equipment protection by intrinsic safety „i“
2. IEC 60079-14:2013 – Explosive atmospheres – Part 14: Electrical installations design, selection and erection
3. Richtlinie 2014/34/EU (ATEX) des Europäischen Parlaments und des Rates
4. TRGS 720 – Gefährdung durch explosionsfähige Atmosphären bei Tätigkeiten mit brennbaren Flüssigkeiten (BAuA, 2018)
5. D. Möbius, W. Höhn – Explosionsschutz in der Praxis, 6. Auflage, VDE Verlag 2020
6. Pepperl+Fuchs – Technisches Handbuch „Eigensichere Funklösungen für Zone 1“, 2022
7. PTB-Bericht PTB‑Ex‑14 – Grenzwerte für Funkstellen in explosionsgefährdeten Bereichen, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 2019