Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

DART: nová kapitola v jiskrové bezpečnosti

Jiskrová bezpečnost znamená omezení příkonu připojených zařízení – to bylo dosud bez diskuse. Ovšem nová metoda dynamického rozpoznávání a zhášení jiskrových vý­bojů DART (Dynamic Arc Recognition and Termination) to mění. Princip metody spo­čívá v tom, že systém rozpozná charakteristický průběh proudu spojený se vznikem jis­krového výboje a během několika mikrosekund elektrický obvod odpojí. Dvě verze této metody, DART Power a DART Fieldbus, umožňují zajistit jiskrovou bezpečnost většiny provozních zařízení již používaných v procesní výrobě, ale nejen to: přinášejí i zcela nové možnosti, jak zajistit ochranu proti výbuchu tam, kde to zatím bylo možné jen za cenu velkých nákladů a mnoha kompromisů.
 

Úvod

Metodu DART označují mnozí odborníci za metodu, která zcela změní oblast jiskrově bezpečné techniky. Je výsledkem výzkumné­ho projektu, podporovaného německým spol­kovým ministerstvem hospodářství a práce, na němž se podílí mnoho významných insti­tucí a průmyslových firem, mezi nimiž výsad­ní místo zaujímá společnost Pepperl+Fuchs. Snaha zapojit do projektu vývoje DART více subjektů je pochopitelná, protože není v si­lách jediné, byť silné firmy prosadit novou metodu jako standard a uvést ji na trh. „Jako osamocený výrobce nemůžeme při prosazo­vání DART uspět. Proto máme zájem zpří­stupnit tuto metodu na základě licencí i na­šim konkurentům a dalším významným prů­myslovým subjektům,“ poznamenal k tomu Gunther Kegel, výkonný ředitel společnosti Pepperl+Fuchs.
 

Odpojení napájení místo omezení výkonu

Podle normy IEC 60079-11 (v české ver­zi ČSN EN 60079-11 Výbušné atmosféry – Část 11: Ochrana zařízení jiskrovou bezpeč­ností) je obvod jiskrově bezpečný, jestliže je zajištěno, a to podle přesně specifikovaných kritérií, že jiskrový výboj nebo jiný tepelný efekt ani při běžném provozu zařízení, ani při jeho poruše, např. při zkratu či přerušení pří­vodních vodičů nebo při vnitřní poruše za­řízení, nezpůsobí zážeh výbušné atmosféry.
 
U jiskrově bezpečných zařízení třídy Ex i se vytvoření jiskrového výboje zamezuje pri­márně omezením efektivního příkonu připo­jených zařízení na 2 W, ovšem toto omezení s sebou nese také omezení oblasti úloh, kte­ré lze takto realizovat. Jiskrová bezpečnost Ex i se uplatňuje zejména v oblasti provoz­ních snímačů, akčních členů a řídicí techni­ky s nízkým příkonem.
 
Jsou-li proudové obvody chráněny meto­dou DART, lze v prostředí s nebezpečím vý­buchu použít provozní zařízení s příkonem až 50 W. Systém DART je schopen zjistit poru­chu v elektrickém systému už na jejím po­čátku a odpojit obvod dříve, než amplituda proudu překročí bezpečnou mez.
 
Metodou DART se detekuje jiskrový vý­boj na základě náhlé změny proudu, která má specifickou charakteristiku (obr. 1). Sys­tém potom v průběhu několika mikrosekund, tedy dříve, než výboj dosáhne teploty potřeb­né k zážehu výbušné atmosféry, obvod odpo­jí (obr. 2). Fyzikálně je to velmi jednoduché a snadno pochopitelné:
  • vznikající jiskrový výboj vyvolá charakte­ristický elektrický signál,
  • signál se jako vlna šíří po přívodním vede­ní rychlostí 160 000 km/s,
  • systém DART během několika mikrose­kund zareaguje a odpojí zdroj napájení.
Konečná rychlost šíření vlny elektrické­ho signálu způsobuje, že délka přívodního vedení je limitujícím faktorem pro příkon připojeného zařízení. Dobu, za niž signál dosáhne zdroje napájení a odpojí ho, je to­tiž nutné připočítat k celkové době vypnu­tí obvodu.
 

Dvě varianty DART

 
Výhody DART vyniknou zejména tam, kde je obtížné uplatnit dosavadní metody ochrany proti výbuchu nebo je to spojeno s extrémními náklady. Dosud byly vyvinuty dvě varianty DART.
 

DART Power

Verze DART Power (obr. 3) umožňuje napájet zařízení s vyšší spotřebou elektric­ké energie v prostředí s nebezpečím výbu­chu bez speciálních bezpečnostních opat­ření. Typickým příkladem jsou průmyslová PC, obslužné terminály, zobrazovače, osvět­lení, snímače s velkou spotřebou, analytická zařízení, vysokovýkonové solenoidové ven­tily a servomotory. Průmyslové PC může být např. vybaveno jiskrově bezpečným etherne­tovým portem a fungovat jako napájecí zdroj pro další zařízení.
Celý systém DART Power se skládá jen ze tří komponent: zdroje napájení, kabelu a zátě­že. Nejsou třeba žádné další prvky, jako jsou oddělovací bariéry apod. Dovolený příkon za­řízení závisí na proudu a délce kabelu a může dosáhnout až 50 W.
 

DART Fieldbus

DART Fieldbus je samostatný systém, kte­rý umožňuje podstatně zvýšit výkon přená­šený sběrnicemi Foundation Fieldbus H1 a Profibus-PA bez nevýhod spojených s uplat­něním dosavadních metod.
 
V současné době se problém, kdy je třeba na sběrnici připojit větší množství zařízení umístěných v prostředí s nebezpečím výbu­chu, řeší pomocí koncepce vysokovýkonové páteřní sběrnice (High-Power Trunk Concept, HPTC). Tato koncepce sice ruší omezení dél­ky segmentů, ale má i své nevýhody. Napá­jení je přiváděno k jednotlivým zařízením páteřní sběrnicí (trunk), která je v kategorii Ex e. Příkon dodávaný jednotlivým zařízením připojeným na odbočné větve sběrnice (spur) je potom omezen bariérami, takže tato zaříze­ní již jsou v kategorii Ex ia, ale vedení páteřní sběrnice v prostředí s nebezpečím výbuchu je omezeno. Pomocí DART Fieldbus lze realizo­vat plně jiskrově bezpečnou páteřní sběrnici Ex ib, která potom napájí jakákoliv zařízení, jež odpovídají požadavkům Entity Explosion Protection Concept nebo FISCO (viz Koncept FISCO pro průmyslové sběrnice ve výbušném prostředí, Automa, 2004, č. 5).
 
Požadavkům Entity Explosion Protection Concept vyhovují v podstatě všechna zaříze­ní s jiskrově bezpečným napájením. V sou­ladu s těmito požadavky je napájecí napětí DART Fieldbus omezeno na 24 V, což vy­hovuje většině zařízení dostupných na trhu. Pomocí DART je možné realizovat páteř­ní sběrnici o délce až 1 000 m s maximálně 24 účastníky v segmentu a příkonem 8 W na segment (obr. 4).
 

Vliv rušení

 
Zátěž může do vedení vysílat rušivé sig­nály, a to jak při běžném provozu, tak zejmé­na při svém spouštění. Tyto signály by mohly vést k falešnému odpojení napájecího zdroje.
 
Systém DART se s uvedeným problémem vypořádal tím, že zátěž není připojena k ve­dení přímo, ale prostřednictvím oddělova­če. Oddělovač je součástí rozhraní zátěže. Zaručuje, že zátěž se bude chovat korektně, a umožní její „soft-start“, tedy omezí její ma­ximální proud při spuštění. Systém DART tak dostává signál ze zátěže bez rušení a to mu umožňuje citlivě reagovat na změny prou­du signalizující počátek jiskrového výboje.
 

Testování, patentová ochrana a licence

 
Metoda DART je chráněna mezinárodním patentem WO 2006/003445, jehož vlastníkem je společnost Pepperl+Fuchs. Použití DART je tedy podmíněno uzavřením licenční smlou­vy a zaplacením licenčních poplatků. Ty se ale budou vybírat jen do doby, než se DART stane mezinárodním standardem, potom bude další využití DART bez poplatků.
 
Vývojem testovacích metod pro techniku DART se zabývá německý Spolkový fyzikál­ně-technický ústav PTB v Braunschweigu. Zjistil, že dosud popsané zkušební metody a příslušná technická zařízení pro realizaci dynamických zdrojů proudu nejsou pro tes­tování obvodů s DART vhodné. Řešením, na němž se v PTB pracuje, je simulátor jis­krových výbojů a soubor vhodných postupů testování. To umožní verifikovat jiskrovou bezpečnost zařízení s DART. Nové testova­cí procedury se potom stanou součástí běž­ných testů výrobků. To je jeden z předpokla­dů vytvoření mezinárodní normy pro DART.
 
Dalším krokem bude vytvoření technic­ké specifikace (TS) IEC. Potom již nebude nic bránit tomu, aby se metoda DART sta­la mezinárodním standardem. Podle odbor­níků k tomu má DART po technické stránce všechny předpoklady; jen to ještě bude urči­tou dobu trvat.
 

Závěrem

 
DART je jednoduché a cenově výhodné řešení, jak dosáhnout jiskrové bezpečnosti a přitom překonat omezení příkonu připoje­ných provozních zařízení. DART Power při­pravuje cestu pro zcela nová jiskrově bez­pečná zařízení s příkonem několikanásobně vyšším, než je tomu dosud, a DART Fieldbus umožňuje instalovat páteřní sběrnici s vyso­kým výkonem jako jiskrově bezpečnou v pro­středí s nebezpečím výbuchu.
 
DART není jen rozšířením schopností sou­časné techniky, ale otevírá možnost realizovat zcela nová jiskrově bezpečná zařízení: výkon­né pohony regulovaných ventilů, průmyslové váhy nebo nouzové osvětlení.
 
Jeden příklad výhod DART za všechny: provozní analytická zařízení vyžadují vy­soký elektrický příkon, a proto nemohla být instalována do prostředí s nebezpečím vý­buchu. Bylo proto nutné vybudovat zvláštní měřicí odbočku z hlavního potrubního vede­ní. Ovšem pomocí DART lze měřit přímo na hlavním potrubí. To je významná úspora: ne­jen že není třeba budovat měřicí odbočku, ale také odpadají starosti s její údržbou a čiště­ním. Měření fyzikálně-chemických vlastnos­tí přímo v toku média je navíc přesnější než v odbočce, a přesnější měření znamená lepší kvalitu výroby a přináší další úspory.
[Tiskové zprávy společnosti Pepperl+Fuchs a před­nášky na Generálním shromáždění NAMUR, 2009. Grafika: Pepperl+Fuchs.]
(Bk)
 
Obr. 1. Průběh elektrických veličin při jiskrovém výboji
Obr. 2. Průběh elektrických veličin při odpojení napájení pomocí systému DART
Obr. 3. DART Power pro jednoduchý jiskrově bezpečný obvod, obsahující zdroj, kabel a zátěž
Obr. 4. DART Fieldbus – příklad topologie se třemi segmenty