Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Nová koncepce power i – jiskrová bezpečnost s podstatně vyšším výkonem

Ochrana proti výbuchu pro elektrická zařízení je samostatnou speciální disciplínou, se kterou se musí vyrovnat výrobci, projektanti, instalační organizace i uživatelé. Jednou z nejbezpečnějších technik, které dosud byly pro ochranu proti výbuchu vyvinuty, jsou jiskrově bezpečná zařízení, která fungují na principu omezení energie vystupující ze zdroje na energii nižší, než je minimální zápalná energie (MIE – Minimum Ignition Energy). Zatím to znamenalo, že jiskrově bezpečná zařízení byla hodnocena při jedné nebo dvou poruchách s bezpečnostním koeficientem 1,5 a za těchto podmínek musela být energie v obvodu bezpečná. Již několik let se hovoří o nové metodě pro zajištění jiskrové bezpečnosti, která rozšíří použití této techniky ochrany proti výbuchu, a vyšly již i některé články o této problematice (pozn. red.: v časopise Automa to byly např. články [Bk: DART: nová kapitola v jiskrové bezpečnosti. 2010, č. 2, s. 8–9] nebo [PEPPERL+FUCHS: DART Fieldbus – do prostředí s nebezpečím výbuchu snadno a bezpečně. 2011, č. 5, s. 48–50]). V současné době byl v rámci IEC TC 31 rozeslán k připomínkám první komplexnější popis principů v podobě technické specifikace, a tak je možné na základě této publikace IEC zodpovědět alespoň základní otázky, jak tato technika funguje, a pokusit se posoudit klady a možná negativa spojené s touto technikou, nazývanou power „i“.

V posledních několika letech probíhal v jedné z největších zkušeben v Německu – PTB v Braunschweigu, ve spolupráci se společností Pepperl+Fuchs výzkum nové koncepce monitorování jiskrově bezpečného obvodu a rychlého vypnutí při zjištění, že začíná docházet ke spínání nebo rozpínání obvodu (přerušení nebo zkratu v obvodu). Obvod musí být vypnut v bezpečném prostoru v době řádově mikrosekund tak, aby se elektrická energie v jiskře nestačila přeměnit v takové množství tepelné energie, které by zahřálo dostatečné množství hořlavého plynu v okolí na teplotu, při které nastane vznícení.

Základní princip jiskrově bezpečných zdrojů power „i“ (zatím neexistuje dohodnutý český ekvivalent pro výraz power „i“, proto je v tomto článku použit anglický název) je znázorněn na obr. 1. Tento přístup znamená úplnou změnu koncepce, s níž dosavadní normy (ČSN EN 60079-11 Výbušné atmosféry – část 11: Ochrana zařízení jiskrovou bezpečností „i“) nepočítaly. Elektronické prvky dosud nejsou počítány za dostatečně bezpečné, a proto je tato technika vyvíjena pouze pro zónu 1 a zónu 2 (pro zónu 0 není použitelná). Prvním problémem je, že u hořlavých plynů zatím nejsou známy závislosti minimální zápalné energie na „časovém faktoru“ (dosažení požadované intenzity energie v prostoru jiskry). Pro hodnocení tohoto časového faktoru je nutné provést speciální hodnocení pro zdroje, vedení a zátěže (koncová zařízení), což zřejmě bylo základním cílem zmíněného výzkumu PTB.

V celém systému jsou rozlišovány dva stavy – bezpečnostní stav, ve kterém je energie v hodnotách běžného jiskrově bezpečného obvodu a monitorována je činnost systému, a stav power „i“ (obr. 2). Při přechodu z bezpečnostního stavu do provozního stavu power „i“ je pomocí napětí detekováno, zda jsou do systému zapojena pouze koncová zařízení power „i“.

Přiblížit tento nový přístup lze na srovnání s klasickým přístupem k jiskrové bezpečnosti podle ČSN EN 60079-11, kde pro odporový obvod (obrázek A.1 v ČSN EN 60079-11) pro napájecí zdroj 24 V DC a bezpečnostní koeficient 1,5 se pro skupinu IIC dostane maximální dovolený proud 174 mA (pro bezpečnostní koeficient 1,0 proud 261 mA). Z toho vychází činný výkon 1,04 W. Pro obvod power „i“ závisí maximální povolený proud na dynamické charakteristice celého systému (zdroj, vedení, zátěž). Pro navrhované obvody vyšel činný výkon pro 24 V DC jiskrově bezpečný zdroj 22 W. Na obr. 2 jsou uvedeny charakteristiky klasického jiskrově bezpečného obvodu a do něj zakreslené charakteristiky obvodu power „i“. Šedé křivky (shora dolů pro přístroje skupiny I, IIA, IIB a IIC) vymezují dovolený proud a napětí (pod křivkou), barevně je zakreslena charakteristika pro obvod power „i“. Zpočátku obvod pracuje na lineární, modré křivce, která je dána sériovým odporem na výstupu zdroje RS a je pod mezními křivkami pro běžné jiskrově bezpečné zařízení. Na odporu musí být dosaženo stanoveného prahového napětí Uthr – jinak není přechod do provozu power „i“ možný. Toto napětí je minimální napětí potřebné na výstupních svorkách, aby zdroj mohl přejít z bezpečnostního stavu do plného provozu power „i“ (bod 3). Po dosažení uvedeného napětí je elektronicky přemostěn výstupní odpor a zdroj pomalu přechází do plného výkonu. „Pomalý“ přechod znamená, že změna proudu di/dt musí být pod minimální hodnotou, při které je zdroj vypínán (jako poruchový stav je vyhodnocen stav, kdy při spínání nebo rozpojování obvodu může dojít ke vzniku jiskry, viz obr. 1). V tomto provozním stavu je charakteristika omezena červenou čárou – maximální výkon v bodě 4. Je-li zjištěna hodnota změny proudu di/dt větší, než je mezní hodnota, obvod se velmi rychle vrátí do původního stavu zrušením přemostění odporu – tím se obvod vrátí na jiskrově bezpečné hodnoty (50 % povolených hodnot pro jiskrovou bezpečnost). Tedy přechod do provozu power „i“ je „pomalý“, tj. řádově v milisekundách, vypnutí ale musí být velmi rychlé, v řádu jednotek mikrosekund. Přechod z provozu power „i“ do bezpečného provozu je znázorněn na obr. 3.

Koncová zařízení power „i“

Koncová zařízení (provozní přístroje) se skládají z oddělovací jednotky a skutečné zátěže (solenoidový ventil, snímač, oddělovací bariéra; obr. 1). Koncové zařízení musí bezpečně oddělit zátěž od vedení (sběrnice) power „i“.

Koncové zařízení musí mít takovou charakteristiku, aby byla zajištěna detekce pulzu při vzniku jiskry v obvodu power „i“. Jakékoliv zařízení připojené ke koncovému zařízení nesmí ovlivnit uvedené vlastnosti oddělení.

Koncové zařízení musí splňovat tyto požadavky:

  • nesmí dovolit přenos energie zpět do vedení power „i“ – všechny části musí splňovat běžné požadavky na jiskrově bezpečné bezporuchové součástky, povrchové cesty a vzdušné vzdálenosti,
  • musí mít standardní typ ochrany proti výbuchu pro danou atmosféru (zalití zalévací hmotou „m“ apod.),
  • musí mít stanovené bezpečnostní parametry (speciální hodnoticí koeficient, dobu odezvy atd.),
  • všechny komponenty důležité pro funkci power „i“ musí splňovat požadavky na bezporuchové součástky (kromě stanovených výjimek).

Základní schéma koncového zařízení pro široké spektrum úloh je na obr. 4.

Vedení power „i“

Vedení (sběrnice) power „i“ musí splňovat tyto požadavky:

  • přenášené pulzy při vzniku jiskry nesmí být ovlivňovány tak, aby bránily detekci vzniku jiskry při spínání nebo rozpínání,
  • maximální délka vedení je ověřována výpočtem a zkouškami tak, aby celý systém fungoval v dostatečně krátké době (doba odezvy); pro délky do 20 m není třeba počítat a ověřovat,
  • maximální délka každé smyčky je omezena na 10 m; celková délka všech smyček v power „i“ nesmí přesáhnout 50 m,
  • dovolená impedance kabelu je 80 Ω ≤ ZW ≤ ≤ 120 Ω.

V některých případech musí být na sběrnici použit koncový člen.

Rozdělení zařízení power „i“ do tříd

Pro jednodušší stanovení požadavků na dobu odezvy a hodnoticích koeficientů byla zařízení power „i“ rozdělena podle napětí a proudů do tříd uvedených v tab. 1. Do těchto tříd jsou zařazovány jak zdroje, tak i vedení (sběrnice) a koncová zařízení. Podle volby napěťové a proudové třídy a úrovně jiskrové bezpečnosti („ib“ nebo „ic“) se potom stanovují vyžadované doby odezvy (a z nich maximální délka sběrnice). Pro kombinaci nejvyšších tříd (CE, CD + VB, VC + ib) vychází požadovaná doba odezvy do 1 μs, pro nejnižší třídy je to až 12 μs.

Návrh systému power „i“

Výběr jednotlivých zařízení, zdroje a sběrnice pro systém power „i“ bude jako u jiskrově bezpečných zařízení záležitostí konstruktérů a uživatelů. Bude však o něco komplikovanější, protože kromě posouzení běžných bezpečnostních parametrů pro jiskrově bezpečný systém bude nutné posuzovat celkovou dobu odezvy v kombinaci s napěťovými a proudovými třídami a požadovanou úrovní jiskrové bezpečnosti. Pro koncová zařízení, sběrnice a zakončovací člen bude stanovován speciální hodnoticí koeficient AF (schopnost přenášet pulzy) a porovnáván s koeficientem AF stanoveným pro zdroj power „i“.

Současný stav a předpokládaný vývoj

V současné době byl v IEC TC 31 předložen dokument obsahující základní požadavky na konstrukci a zkoušení systému power „i“. Reakce na dokument v různých zemích jsou stejné – jde o zajímavý projekt, nejsou však dostupné podklady, ze kterých se vychází. Do vývoje zatím byla zapojena jedna zkušebna, zmíněná německá PTB, a odborníci z ostatních zemí nemají dostatečné podklady, aby alespoň teoreticky mohli vyjádřit podporu předloženému dokumentu.

Odborníci s podporou zatím váhají také proto, že IEC uvažuje o vydání konstrukčních požadavků na obvody power „i“ jen v podobě technické specifikace. Tento dokument však má nižší úroveň závaznosti než norma a v mnoha členských státech IEC národní normalizační orgány uvedené dokumenty nezavádějí do národních norem nebo pouze informují o jejich vydání. Technická specifikace je dokument, který by měl platit jen krátkou dobu pro ověření požadavků v praxi – za několik let by měl být převeden na normu. Přitom obvykle bývají upravovány požadavky a zkušební metody.

Z čeho mají odborníci obavy, je to, že:

  • chybí jakékoliv zkušenosti pro navrhování těchto systémů, vůbec neexistují požadavky na to, jak dělat revize a posuzovat bezpečnost před uvedením do provozu,
  • není možná kombinace s klasickými jiskrově bezpečnými systémy – zatím není vyřešeno jakékoliv odlišení mezi oběma systémy,
  • koncová zařízení asi budou muset být chráněna jiným typem ochrany proti výbuchu, než byl používán dosud (z důvodu vyšší povrchové teploty – už u jiskrově bezpečných zařízení je při řádově nižších hodnotách výkonu někdy nutné součástky chránit zalitím); v referenčních příkladech je pro solenoidový ventil uvažováno o po­užití typu ochrany zalití zalévací hmotou „m“,
  • chybí zatím jakékoliv cenové srovnání s jiným řešením,
  • v současné době existují pro zařízení power „i“ čtyři certifikáty v dobrovolném mezinárodním certifikačním systému (IECEx PTB 12.0021, PTB 12.0022X, PTB 12.0023X, PTB 12.0024) – odvolávají se však na normy pro jiskrovou bezpečnost EN 60079-11 a EN 60079-25,
  • zatím existuje pouze jeden výrobce a jsou obavy, v jaké šíři a pro jaké úlohy bude možné power „i“ využít v kombinaci s dalšími, již zavedenými prvky měření a regulace,
  • jsou pochyby o spolehlivosti celého systému, protože bezpečnost zcela závisí na spolehlivosti detekce rychlosti změn proudu v celém systému, avšak elektronický systém detekce lze ovlivnit neúmyslným zásahem, rušením z vnějšku, rušením po síti apod.

Závěr

Systém power „i“ je určitě z hlediska výzkumu významným počinem a posune poznání v oblasti ochrany proti výbuchu dál. V současné době však odborníkům, kteří se neúčastnili vývojových úkolů (a těch je naprostá většina), chybí výsledky výzkumu, na základě kterých by se mohli aktivně zapojit do propagace této metody a rozšiřování do vývojových a výrobních programů dalších výrobců. Určitou nevýhodou je nemožnost použít ji pro zónu 0. Většina měřicích přístrojů v zóně 0 tak nadále nemá jinou alternativu než použití jiskrové bezpečnosti.

(Poznámka: Návrh technické specifikace pro systémy power „i“ je k dispozici na pracovišti autora, FTZÚ Ostrava-Radvanice.

Ing. Jan Pohludka, Fyzikálně technický zkušební ústav, státní podnik, Ostrava-Radvanice

Obr. 1. Základní princip jiskrově bezpečných zdrojů power „i“

Obr. 2. Charakteristiky klasického jiskrově bezpečného obvodu a charakteristiky obvodu power „i“

Obr. 3. Přechod z provozu power „i“ do bezpečného provozu

Obr. 4. Základní schéma koncového zařízení; dole příklad omezovací jednotky napětí pro obvod „ib“

Tab. 1. Rozdělení zařízení power „i“ do tříd

Napěťové třídy

maximální výstupní napětí zdroje Uo

napěťová třída zařízení power „i“

24 V

VA

30 V

VB

40 V

VC

Proudové třídy

maximální výstupní proud zdroje Io

proudová třída zařízení power „i“

0,5 A

CA

1,0 A

CB

1,5 A

CC

2,0 A

CD

2,5 A

CE