Aktuální vydání

celé číslo

10

2022

Chemie, potravinářství a farmacie

celé číslo

Remote I/O a ExTerm: údržba zařízení v zóně 1 pod napětím

Remote I/O a ExTerm: údržba zařízení v zóně 1 pod napětím

Článek pojednává o sběrnicovém systému decentralizovaných modulů vstupů a výstupů FB Remote I/O, o připojovacích svorkovnicích ExTerm od firmy Pepperl+Fuchs a o jejich použití v řídicím subsystému umístěném v prostředí s nebezpečím výbuchu, zóna 1, v podniku zabývajícím se farmaceutickou výrobou. Spolu s obvyklým vedením jiskrově bezpečných signálů jsou přes systém FB Remote I/O ovládány řízené pohony a ventily, což je ekonomicky výhodné – a to při zachování možnosti udržovat prvky řídicího subsystému v zóně 1 bez přerušení jeho napájení. Kombinace modulů řady FB Remote I/O se svorkovnicemi ExTerm umožňuje realizovat koncepčně nová řešení s vlastnostmi daleko překonávajícími to, co bylo dosud obvyklé.

Potřeba údržby pod napětím

Jiskrová bezpečnost (intrinsic safety – Ex i) jakožto způsob ochrany před iniciací výbušné směsi (výbuchu) plynů či prachu se vzduchem je v současné řídicí a přístrojové technice velmi populární. Je-li použita, lze vykonávat údržbové práce na aktivním elektrickém zařízení v prostředí s nebezpečím výbuchu bez nutnosti vystavovat povolení k práci pod napětím a pokaždé absolvovat celou s tím související proceduru. Výsledkem jsou jednodušší servisní postupy a současně i možnost obejít se bez vypínání jednotlivých prvků zařízení. To může, v porovnání s jinými metodami ochrany před výbuchem, znamenat menší náklady na údržbu.

Základem metody jiskrové bezpečnosti je omezení výkonu (energie) v systému, obvykle na hodnotu 1 až 2 W, takže nemůže nastat zážeh výbušné látky jiskrou s následným strmým růstem teploty a tlaku charakteru exploze.

Množství energie požadované složitými elektronickými systémy je ovšem větší. Instalovat v nebezpečném prostředí decentralizované moduly I/O anebo jiné podsystémy je proto buď vůbec nemožné, nebo proveditelné jen v omezené míře a za cenu přídavných nákladů na jiskrovou bezpečnost. Aby nebylo nutné vzdávat se mnoha výhod koncepce jiskrové bezpečnosti, byly v několika posledních letech usilovně hledány cesty, jak umožnit práci na zařízení pod napětím bez odpovídajícího povolení i na zařízeních, u nichž je iniciaci výbušné směsi bráněno použitím jiných metod než jiskrové bezpečnosti, např. zajištěného provedení (increased safety – Ex e), pevného závěru (flameproof – Ex d) atd. Ukazuje se, že použije-li se vhodná kombinace různých metod ochrany před iniciací výbuchu, lze moderní řídicí subsystémy určené k použití v zóně 1 realizovat jako přehledné, snadno udržovatelné i relativně nepříliš nákladné.

Svorkovnice ExTerm

Klíčovou komponentou umožňující práci „bez povolení“ těch zařízení, která nejsou jiskrově bezpečná, je svorkovnice v provedení Ex e dodávaná pod obchodním označením ExTerm. Svorkovnice ExTerm je svým vzhledem i funkcí obdobou kompletní běžné svorkovnice, tj. instaluje se na lištu DIN a vodiče se připojují ze dvou stran.

Princip svorkovnice ExTerm, dovolující pracovat na řídicím systému bez vypnutí jeho napájení, je patrný z obr. 1. Podstatou řešení je, že šroubky jednotlivých svorek umístěných v základně svorkovnice jsou přístupné teprve po sejmutí její svrchní části. Sejmutím svrchní části svorkovnice se současně přeruší elektrický okruh a připojovací svorky jsou poté bez napětí (i proudu).

Ochrana v systém FB Remote I/O

Jednotlivým komponentám systému FB Remote I/O je v případné iniciaci výbuchu bráněno různými způsoby. Použité řešení je zřejmé z obr. 2.

Všechny funkce zajišťované systémem FB Remote I/O jsou prováděny v modulech zasouvaných zadním čelem do základní desky. Pouzdro každého jednotlivého modulu současně plní funkci pevného závěru (provedení Ex d). Pro snadnou manipulaci v zóně 1 jsou moduly elektricky spojeny se základní deskou speciálními zásuvnými zdířkovými kontakty určenými k použití v zóně 1, umožňujícími modul bez jakýchkoliv omezení vkládat i vyjímat za chodu systému. Použité zapouzdření modulů typu pevného závěru zároveň nabízí značnou volnost při výběru vestavěné elektroniky. Spojení s příslušným provozním přístrojem je řešeno buď jako jiskrově bezpečné, nebo je použit jiný způsob ochrany, podle typu modulu (např. pro ventily v provedení Ex d).

Příklad použití

Nabízená kombinace různých způsobů ochrany před iniciací výbuchu umožňuje při přijatelných nákladech realizovat takové řídicí subsystémy k umístění v zóně 1, které lze snadno instalovat, obsluhovat a udržovat. Na obr. 3 je ukázáno typické uspořádání sestavy provozního rozváděče, velmi úspěšně použité v irské farmaceutické společnosti. Protože jsou v jedné skříni sdruženy nejrůznější komponenty (základní deska a moduly systému FB Remote I/O s připojeními v provedení Ex i a Ex e, elektromagnetické ventily, napájecí zdroje pro zónu 1 atd.), bylo možné dosáhnout poměrně nízkých nákladů na rozváděč a kabeláž. Jiná, tradiční uspořádání s mnoha podružnými rozváděči by nutně vyžadovala přídavné náklady nejen na další rozváděče, ale také na kabeláž, montáž na místě a uvedení do provozu.

Rozhraní Profibus-DP v systému FB Remote I/O bylo úmyslně navrženo bez uvažování jiskrové bezpečnosti. Jiskrově bezpečná sběrnice by byla vedla k nekompatibilitě s ostatními stanicemi v síti Profibus a k nežádoucím omezením technických i bezpečnostních parametrů systému. Praxe také ukazuje, že sběrnice Profibus-DP v jiskrově bezpečném provedení jsou citlivé na elektromagnetické rušení. Použití sběrnice Profibus v provedení bez jiskrové bezpečnosti přitom nemá žádný vliv na způsob údržby komunikační sítě. Vždy lze nalézt jednoduchý způsob, jak provést údržbu sítě Profibus-DP, aniž by k tomu bylo nutné mít povolení k práci na zařízení pod napětím. Obsluha řídicího systému tedy ani nemá žádný zájem na tom, aby sběrnice byla otevřeně přístupná. V souladu s danou volbou je zde sběrnice Profibus-DP vedena fixně uloženým kabelem, k němuž je přes svorkovnice ExTerm připojena jen krátká odbočka. Je-li to nutné, lze komunikační modul v systému FB Remote I/O vyměnit nebo upravit na místě.

Terminál řídicího systému je napájen ze sítě 230 V AC. I zde zajišťuje ochranu svorkovnice ExTerm, v jejíž svrchní, odnímatelné části jsou vestavěny pojistky. Vyměnit část svorkovnice s pojistkami lze velmi snadno i za chodu řídicího systému, aniž je nutné vypínat části technologického zařízení a odpojovat nebo přepojovat kabely vedoucí do svorek. Přímé napájení napětím 230 V AC lze navíc použít i pro další funkce. Prostřednictvím reléových výstupů systému FB Remote I/O je např. možné spínat napájecí proud přímo do zóny.

Co se týče elektromagnetických ventilů, jistě existují takové, které se adresují přímo po sběrnici Profibus. Ovšem ventily, které v daném případě chce použít uživatel, tuto vlastnost nemají. Zde přichází ke slovu velká provozní pružnost systému FB Remote I/O, která uživateli umožňuje použít „své“ určité ventily, vyhovující jeho potřebám. Odpovídající řídicí moduly mají hardwarové spínače kategorie SIL 2 ovládané samostatným kabelem. Současně také odpadají veškeré starosti s certifikací příslušného softwaru, což by při přímém řízení po sběrnici Profibus byl asi kritický problém. Jistě, nabízí se použití uceleného systému Profisafe nebo jiná podobná alternativa, ale řešení zvolené v daném případě je plně funkční, jednoduché a hospodárné.

Použitá rozváděčová skříň z velmi kvalitní oceli má homologaci Ex e. Lze ji bez jakýchkoliv omezení otevírat i zavírat za chodu systému. Veškeré kritické spoje jsou dostupné teprve po otevření skříně. Připojovací svorky jsou přístupné až po sejmutí svrchních dílů svorkovnic ExTerm, čímž se přeruší přívod napájecího napětí do příslušných obvodů. Svorky na vstupní straně jsou zakryty plastovými díly, a proto nepředstavují žádné nebezpečí.

Závěr

Popsané řešení je jasným důkazem toho, že řídicí podsystémy v zóně 1 nemusejí být zbytečně složité a nákladné. Montáž i údržba jsou velmi jednoduché a rozsah doplňkového školení personálu je minimální – to je zvláštní prémie pro všechny uživatele. Jejich přání – ekonomický řídicí podsystém pro zónu 1, který lze udržovat bez vydávání povolení k práci na zařízení pod napětím – je skutečností!

Dipl.-Phys. Anton Heinskill,
Pepperl+Fuchs GmbH,
Geschäftsbereich Prozessautomation

Obr. 1. ExTerm: speciální svorkovnice v provedení Ex e nevyžadující povolení k práci na zařízení pod napětím
Obr. 2. FB Remote I/O: systém nevyžadující povolení k práci na zařízení pod napětím kombinuje různé metody zábrany iniciace výbuchu
Obr. 3. Kompletní řídicí subsystém k použití v zóně 1

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde