MTL4500
Jiskrová bezpečnost
1. Omezené napětí 2. Omezený proud 3. Omezená nahromaděná el. energie
2
MTL4500
Základní princip IS
MTL4500
Kategorie jiskrové bezpečnosti
Ex ia
Ex ib
Jiskrově bezpečné se dvěma poruchami
Jiskrově bezpečné s jednou poruchou
Zóny 0, 1 a 2
Zóny 1 a 2
Ex ic Novinka
Jiskrově bezpečné Za normálního provozu
Zóna 2
3
„Poruchou“ se rozumí taková porucha, která má vliv na jiskrovou bezpečnost
Obvod, který za předepsaných zkušebních podmínek podle EN 60079-11 nevytváří jiskry ani tepelné účinky, které by byly schopné způsobit vznícení výbušné atmosféry.
4
Definice
MTL4500
Jiskrově bezpečný obvod
Výbušné prostředí
Přístroj ve výbušném prostředí
Přístroj ve výbušném prostředí
Bezpečné prostředí
Certifikovaný přístroj v bezpečném prostředí
Certifikované rozhraní
Necertifikovaný přístroj v bezpečném prostřed
MTL4500
Jiskrově bezpečné systémy
Výbušné prostředí
Displej Převodník
Ventil
C E R T I F I K O V A N É R O Z H R A N Í
Bezpečné prostředí
Řídící systém
MTL4500
Jiskrově bezpečné rozhraní
MTL4500
Posuzování kompatibility IS obvodů Převodník
EEx ia IIC T4
EEx ia IIC T4
Ui < 30 V Ii < 100 mA Pi < 1.3W
Parametry kabelu
Ci Li
< 20 nF < 10µH
Rozhraní
Systém
CC < 0.063 µF LC
< 4.20 mH
L/RC < 55 µH/
[EEx ia] IIC Uo < 28 V Io < 93 mA Po < 0.65 W Co
< 0.083 µF Lo < 4.2 mH L/R < 55 µH/
MTL7728+
7
Doporučení:
Necertifikované zařízení
Instrument Electronics
Power supply
L 250V rms max
N E
8
• “Jištěný transformátor s dvojitým vinutím" • “Vstupní napětí max. 250V rms"
MTL4500
Omezení na bezpečné straně
Obecně platí, že kabel musí mít izolační schopnost 500V mezi jádry a pláštěm a 1000V mezi svazky vodičů
Typ A :
Vodivé stínění pokrývá alespoň 60% povrchové plochy. Každý obvod má samostatné stínění. S poruchou mezi obvody se neuvažuje.
Typ B :
Vodivé stínění pokrývá méně než 60% povrchové plochy. Pokud v žádném obvodu není vyšší napětí než 60V, pevně uložený kabel, neuvažuje se s poruchou mezi obvody.
Ostatní:
9
Musí se počítat s možností vzniku poruch a s jejími následky. Až dva zkraty a čtyři přerušení. Pokud je bezpečnostní koeficient větší než 4, neuvažuje se s poruchami EN 60079-14
MTL4500
Použití vícežilových kabelů
MTL4500
Sériové spojení – součet napětí
10
11
MTL4500
Paralelní spojení – součet proudů
12
MTL4500
Sériové a paralelní spojení
Instalace rozhraní musí být provedena podle platných norem (ČSN EN 60079-14), podle projektové dokumentace a podle doporučení výrobce. Rozhraní se většinou umísťují do bezpečného prostředí v blízkosti hranic s nebezpečným prostředím. Musí mít zaručeno krytí min. IP 20. Pro montáž v nebezpečném prostředí musí být pro rozhraní a kabely použito další ochrany: • Zona 1 : Pevný závěr ( Ex d ) • Zona 2 : Typ N
13
MTL4500
Instalace rozhraní
MTL4500
Přepěťové ochrany v IS obvodech
14
EN 60079-14 15
MTL4500
Uzemnění vodivého stínění
• Co jsou jednoduchá zařízení? – Pasivní prvky jako spínače, propojovací skříňky, potenciometry a jednoduché polovodičové komponenty – Zdroje naakumulované energie s dobře definovanými parametry – Zdroje energie, která nepřesáhne 1.5V, 0.1A or 25mW
16
MTL4500
Jednoduchá zařízení
Máme dva typy rozhraní: 1.
Zenerovy bariéry Nazývané také jednoduše bariéry nebo zenerky
2.
Oddělovací bariéry Nazývané také IS oddělovače nebo galvanické oddělovače
Mohou být také součástí jiných zařízení.
MTL4500
Jiskrově bezpečná rozhraní
Účel: Ochrana IS zařízení ve výbušném prostředí
Typ: Rozdělovač energie
Princip: Za normálních okolností je zařízení pasivní a umožňuje správnou funkci IS přístroje. V případě poruchy chrání přístroj ve výbušném prostředí svedením nadměrného proudu a napětí na zem.
MTL4500
Funkce Zenerových bariér
Maximální výstupní napětí nemůže přesáhnout VZ
Odpor omezující proud
R
MTL4500
Funkce Zenerovy bariéry
Pojistka chránící Zenerovu diodu před přetížením .
FUSE Přístroj
(Výbušné prostředí) Maximální v ýstupní proud nemůže přesáhnout VZ/RCLR
Zenerova dioda
VZ
Vinput
Systém (Bezpečné prostředí)
MTL4500
Bariéra v případě poruchy Výbušné prostředí
Bezpečné prostředí Pojistka
Systém přístrojů
V z
Převodník
X1 Sběrnice bariéry
L
X N
Uzemňovací Izolované systém vnitřní součástky
E
Bezpečnost musí být zajištěna i při poruše součástek. Pojistka Nebezpečné prostředí
Vz
Posouzení rizika poruchy součástek: Součástka: Způsob poruchy Rozpojení: Zkrat: Pojistka Ano Nepravděpodobné Odpor Ano Neuvažuje se Dioda Ano Dioda Ano
Bezpečné prostředí
Bezpečné? ANO ANO ANO NE**
** ANO: protože při ztrojení mohou dvě součástky selhat
MTL4500
Jednoduchá Zenerova bariéra
MTL4500
Zenerova bariéra Pojistka musí být schopná přerušit Umax (obvykle 250Vrms). Možnost použití dvou diod pro „ia“ v případě dodatečného testování. Pojistka
Vz
Bariéry musí být zalité nebo pojistka chráněna proti výměně.
Nejhorší případ poruchy zdroje 250V RMS se zkratovým proudem 4000A.
Spojení s uzemňovací soustavou. (IS zem)
MTL4500
Bezpečnostní a provozní charakteristiky “Bezpečnostní popis”: Nejvyšší napětí = VZ: Nejnižší odpor zdroje R: Největší zkratový proud = VZ/R:
28V 300 93mA
Když Vin je VĚTŠÍ než Vz
Podélný odpor Pojistka Pro 28V, 300 barriéru
Vout
Provozní charakteristiky: Podélný odpor: VWK: Vstupní napětí při svodovém proudu =< 10µA: VMAX : Nejvyšší trvalé napětí bez přerušení pojistky:
Vz
Vin
340 25.5V 26.6V
Když Vin je MENŠÍ než Vz
•
Účel: Ochrana IS zařízení ve výbušném prostředí
•
Typ: Trvalé galvanické oddělení
•
Princip: Za normálních okolností umožňuje zařízení správnou funkci IS přístroje. V případě poruchy chrání přístroj ve výbušném prostředí blokováním nadměrného proudu a napětí před proniknutím do výbušného prostředí.
MTL4500
Funkce IS oddělovačů
MTL4500
Funkce oddělovače
Certifikované součástky
Výbušné prostředí
Strana výbušného prostředí
Bezpečné oddělení
Omezení energie
Bezpečná strana
Bezpečná strana
Certifikovaný transformátor
Napájení
MTL4500
Oddělovač v případě poruchy Výbušné prostředí
Bezpečné prostředí Systém přístrojů
Pojistka Vz
Převodník
X1
Oddělení L
X N
Uzemňovací Izolované systém vnitřní součástky
E
BARIÉRY
ODDĚLOVAČE
• Jednoduché
• Složitější, (nižší MTBF)
• Univerzální
• Specifické podle aplikace
• Napájené smyčkou
• Napájené, vyšší spotřeba
• Úzký rozsah napětí
• Široký rozsah napájení
MTL4500
Srovnání bariér a oddělovačů
• Nižší napětí pro výbušné prostředí • Vyšší napětí pro IS obvody i pro bezpečné prostředí • Nezbytné bezpečné uzemnění • Vazba na referenční 0V systému
• Není potřeba bezpečné uzemnění
• IS přístroje musí být izolované od země
• Oddělení jednotlivých signálů
• Vysoká přesnost a linearita
• Nižší přesnost a linearita
• Dobrý přenos vysokých frekvencí
• Omezený přenos vyšších frekvencí
• Nižší cena
• Vyšší cena
• IS přístroje mohou být uzemněné
MTL4500
FOUNDATION
TM
Fieldbus H1
Profibus PA Fyzická vrstva podle IEC 61158 28
4 - 20 mA
4 - 20 mA
Multižilový kabel 4 - 20 mA
29
MTL4500
Klasické připojení přístrojů
010011001011001
Jeden IS oddělovač
0101011001
Kroucený kabelový pár
010011001011001
30
MTL4500
Jednoduchá sběrnicová topologie
• Pomocí jednoho páru vodičů se přenáší všechna příslušná data. • Vstupní & výstupní data • Systémové parametry • Diagnostické údaje
• Energie potřebná pro činnost přístroje
31
MTL4500
Hlavní rysy průmyslových sběrnic
MTL4500
Sběrnice v normálním prostředí
Řídící systém
24Vdc 24Vdc
Velín
Pole
32
Napáječ
MTL4500
Součásti průmyslové sběrnice
Propojky <1m
Segment
Hlavní větev Odbočky
Terminator
Terminátor
Terminologie sběrnic 33
MTL4500
Konvenční přístup k návrhu IS sběrnice Návazné zařízení
R, L, C
Pi , Ui , Ii Ci , Li
Po, Uo, Io Co, Lo Postup
Prověřit bezp. parametry všech přístrojů Vzájemně porovnat : Uo =< Ui , Io =< Ii , Po =< Pi …...pro každý přístroj
Zhodnocení kapacity a indukčnosti Ci + Ccable =< Co, Li + Lcable =< Lo 34
Provozní přístroj
MTL4500
Fieldbus Intrinsically Safe COncept • Jednoduchý návod na sestavení jiskrově bezpečné sběrnice • Počet provozních přístrojů zapojených na jeden segment sběrnice Profibus PA nebo Fieldbus Foundation H1 je dán jenom energetickou charakteristikou zdroje. • Segment může být rozšířen o další přístroje bez nového výpočtu, pokud vyhovují modelu FISCO.
• Přístroje od různých dodavatelů mohou být vyměněny bez nutnosti přepočítání. • Není potřeba systémový certifikát
35
• Kabely musí splňovat následující parametry: • Odpor smyčky musí být v rozsahu 15 – 150 ohm/km • Indukčnost smyčky musí být v rozsahu 0,4 – 1mH/km • Kapacita smyčky musí být v rozsahu 80 až 200nF/km • Maximální délka odboček je 30m • Maximální délka hlavní větve je 1km pro IIC nebo 5km pro IIB skupinu plynů. • Typický kabel pro sběrnice: - 50ohm/km, 0.8mH/km, 120nF/km
36
MTL4500
Fieldbus Intrinsically Safe COncept
• Projektování jiskrově bezpečné sběrnice je stejně jednoduché jako pro normální prostředí: – – – –
37
Napětí napájecího zdroje Proud spotřebovaný přístrojem Ohmův zákon – odpor kabelů Musí zůstat >9V pro přístroj
MTL4500
Výhody FISCO
MTL4500
Fieldbus Non-Incendive COncept
• Speciálně navrženo pro zónu 2 • Podobný princip jako u FISCO • Snížený bezpečnostní faktor umožňuje připojení většího počtu přístrojů • Hlavní větev a odbočky jsou nezápalné – Ex nL
• Není potřeba systémový certifikát
38
80mA available, typically 3 or 4 devices
Zóna 1
MTL5053 (Entity), IIC/IIB Gas Groups
110mA available, typically 5 devices
FISCO, IIC Gas Groups 240mA available, typically 12 devices FISCO, IIB Gas Groups
FNICO, IIB Gas Groups
39
Předpoklad 20mA na přístroj
Zóna 2
320mA available, typically 16 devices (180mA/9 devices in IIC)
MTL4500
Zapojitelný počet přístrojů
MTL4500
Sběrnice ve výbušném prostředí Řídící systém
24Vdc
? Ochrana SNV
Velín Pole
Propojovací prvky
40
Přístroje Foundation Fieldbus
Výbušné prostředí
High Energy Trunk Features
Zone 2/Division 2 Zone 1
Fieldbus barrier
Zone 22/21
Fieldbus barrier
Division 1
41
No limit on number of devices Redundant power Limitations on live working Non-incendive spurs
Fieldbus barrier*
MTL4500
Metody ochrany pod napětím:
Energy Limited Trunk Limit number of devices Simplex power Live work trunk and spurs FNICO FISCO
MTL4500
Nejiskřící kmen, nezápalné odbočky
24Vdc 24Vdc
High Energy Ex nA trunk Pole
Odbočky Ex nL
Ex nL nebo IS přístroje
42
Zóna2
24Vdc 24Vdc
High energy Ex e trunk
Pole
Zóna 1
Zóna 0 FISCO nebo entity fieldbus devices 43
MTL4500
Fieldbusová bariéra
24Vdc 24Vdc
Live-workable Ex nL trunk
Pole
Zóna 2 Ex nL nebo IS přístroje 44
MTL4500
FNICO instalace
24Vdc 24Vdc
Zóna 1
Liveworkable Ex i trunk
Pole
Zone 21
Live-workable Ex i spurs
FISCO fieldbus devices 45
MTL4500
FISCO instalace
MTL4500
FISCO a ‘Entity devices‘
24Vdc 24Vdc
Live-workable Ex i trunk
Pole
Entity spur connector
Zóna 1 46
Entity certified device
MTL4500
Metody ochrany: bez výskytu plynu
High Energy Trunk Features
Zone 2/Division 2 Zone 1 Division 1
47
No limit on number of devices Redundant power No live working Non-arcing trunk and spurs EEx me Megablock Or EEx d enclosure Explosionproof enclosure
24Vdc 24Vdc
High energy Ex nA trunk Pole Údržba jen při vypnutí nebo po vyvětrání Ex nA odbočky
Zóna 2 Ex n nebo Ex d přístroje 48
MTL4500
Nejiskřící segment a odbočky
24Vdc 24Vdc
High energy Trunk not live-workable
Pole
Propojovací skříňka Ex d nebo Ex e
Odbočky
Ex d přístroje 49
Zóna 1
MTL4500
Pevný závěr Ex d
MTL4500
Konec
50
