Como os técnicos de instrumentação realizam os cálculos dos circuitos intrinsecamente seguros dos instrumentos?

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Este tópico foi editado pela última vez por yunrun em 25/09/2019, às 22:13. Nos setores de petróleo e químicos, podem existir ambientes potencialmente explosivos; portanto, é necessário adotar medidas de proteção contra explosões nos equipamentos utilizados nesses sistemas. As principais tecnologias à prova de explosão utilizadas em equipamentos de instrumentação de controle automático são: intrinsecamente segura (E*), à prova de explosão por isolamento (Ex d), com reforço de segurança (Ex e), sob pressão positiva (Ex p) e selada (Ex m), entre outros tipos. Dentre as diversas tecnologias de proteção contra explosões, a tecnologia intrinsecamente segura, que consiste em reduzir a energia das fontes de ignição como meio de prevenir explosões, é amplamente utilizada em projetos industriais devido às suas vantagens, como estrutura simples, tamanho pequeno, peso leve, além da possibilidade de manutenção, calibração e substituição de peças enquanto o equipamento está ligado. Em um determinado projeto químico, o proprietário sugeriu que, com base na experiência adquirida em projetos anteriores, se não forem feitos cálculos rigorosos para os circuitos intrinsecamente seguros, ainda haverá cerca de 30% desses circuitos com riscos de segurança durante o processo de produção. Mesmo que atualmente não haja requisitos especiais no país em relação ao cálculo de circuitos intrinsecamente seguros, os proprietários ainda exigem que, durante o processo de projeto, seja feito um cálculo rigoroso para cada circuito intrinsecamente seguro. Esses cálculos são baseados nas normas da Comissão Eletricista Internacional IEC 60079-14:2007. Cálculo de circuitos intrinsecamente seguros: yunrun.com.cn/tech/2710.html Requisitos básicos para o projeto de circuitos intrinsecamente seguros: é necessário controlar os parâmetros elétricos do circuito (como reduzir os valores de indutância e capacitância, entre outros componentes que armazenam energia), ou diminuir a corrente e a tensão no circuito, de modo que ele atenda aos requisitos de segurança contra explosões ； Os componentes do circuito devem ter potência suficiente, e os fios de conexão devem ter uma seção transversal adequada, para que as altas tensões e grandes correntes que podem surgir em diversas condições de falha não prejudiquem o desempenho dos componentes. A confiabilidade dos componentes é o que garante a confiabilidade do circuito como um todo. Isso exige o cálculo dos parâmetros dos componentes elétricos correspondentes no circuito intrinsecamente seguro, ou seja, o cálculo do circuito intrinsecamente seguro, a fim de atender aos requisitos das normas de segurança relevantes e garantir uma produção mais segura. 1. Introdução à tecnologia intrinsecamente segura contra explosões. O princípio básico da tecnologia intrinsecamente segura contra explosões é limitar a energia disponível, com o objetivo de evitar explosões. Nessa tecnologia, a energia presente nos circuitos é mantida dentro de limites aceitáveis, tanto em condições normais quanto anormais. Dessa forma, mesmo em casos de curto-circuito ou danos aos componentes eletrônicos, não há risco de explosão dos gases perigosos presentes nas proximidades. O sistema de segurança intrínseca e à prova de explosões, abreviado como sistema de circuito intrínseco, é composto por três partes: os dispositivos intrínsecos no local, os cabos intrínsecos e os equipamentos associados, conforme mostrado na Figura 1. Os circuitos do sistema são divididos, por meio de barreiras de segurança, em circuitos intrinsecamente seguros e circuitos não intrinsecamente seguros. O circuito formado pela conexão, por meio de cabos intrinsecamente seguros, entre a barreira de segurança e os instrumentos de campo é um circuito intrinsecamente seguro ； Os circuitos que vão da barreira de segurança até o DCS e até a fonte de alimentação são circuitos não intrinsecamente seguros. http://yunrun.com.cn/upload/201909/25/201909252207051288.png Figura 1: Esquema típico de um circuito intrinsecamente seguro. ① Dispositivos intrinsecamente seguros no local. ◆ Dispositivos simples: De acordo com as normas IEC60079-14, componentes passivos, como interruptores, caixas de conexão, resistores e componentes semicondutores simples, podem ser considerados dispositivos simples ； Quanto aos componentes ativos de armazenamento de energia, como capacitores e indutores, quando seus parâmetros de projeto garantem a segurança total do sistema, eles podem ser considerados dispositivos simples ； Para os componentes ativos que geram energia, como termopares e células fotovoltaicas, equipamentos elétricos cuja tensão gerada não excede 1,5 V, cujo corrente não excede 100 mA e cuja potência não excede 25 mW podem ser considerados equipamentos simples. Eles não precisam de certificação à prova de explosão e podem ser configurados livremente em circuitos intrinsecamente seguros. ◆Equipamentos intrinsecamente seguros possuem componentes de armazenamento de energia e são equipamentos elétricos intrinsecamente seguros que exigem certificação à prova de explosão, como transmissores, interruptores de proximidade, etc. ②Nos cabos de conexão entre os instrumentos e a sala de controle, existem certas quantidades de capacitância e indutância distribuídas. Isso é especialmente verdade quando a distância entre eles é grande ou quando os parâmetros de design dos instrumentos se aproximam do valor máximo permitido pela segurança intrínseca. Nesses casos, é necessário levar em consideração esses parâmetros distribuídos e limitar o comprimento dos cabos. Isso ocorre porque a indutância distribuída e a capacitância distribuída são formas de armazenamento de energia. Quando ocorre um defeito no cabo, essa energia armazenada é liberada na forma de faíscas elétricas ou efeitos térmicos, o que aumenta, em diferentes graus, o risco de ignição e afeta o desempenho intrinsecamente seguro do sistema. Capacitância distribuída máxima permitida para o cabo: Cc = Ck × L. Indutância distribuída máxima permitida para o cabo: Lc = Lk × L. Onde Ck representa a capacitância distribuída por unidade de comprimento do cabo ； Lk é a indutância distribuída por unidade de comprimento do cabo ； L é o comprimento real do cabeamento. ③Dispositivos de conexão (barreiras de segurança): As barreiras de segurança são os dispositivos de conexão mais utilizados nos sistemas de instrumentação intrinsecamente seguros e à prova de explosões. Elas conectam os circuitos intrinsecamente seguros aos circuitos não intrinsecamente seguros. Sua função é limitar a corrente e a tensão, impedindo que energia perigosa chegue aos circuitos intrinsecamente seguros, assim garantindo a segurança desses circuitos. As barreiras de segurança são divididas, principalmente, em duas categorias: barreiras de segurança do tipo Zener e barreiras de segurança isoladas. Atualmente, as barreiras de segurança do tipo Zener estão sendo gradualmente substituídas pelas barreiras de segurança isoladas. 2. Métodos de certificação para sistemas de instrumentos à prova de explosão de tipo intrinsecamente seguro Atualmente, as diversas entidades de inspeção internacionais utilizam três métodos para a certificação de sistemas de instrumentos à prova de explosão de tipo intrinsecamente seguro: aprovação do sistema, aprovação dos parâmetros e aprovação segundo o conceito FISCO (fieldbus intrinsically safe). ①Aprovação do sistema: A aprovação do sistema, também conhecida como “coleta conjunta de evidências”, refere-se à aprovação do sistema formado pela combinação do instrumento intrinsecamente seguro a ser testado e dos dispositivos relacionados que também são submetidos a teste. Uma vez aprovado, nenhum dispositivo no sistema pode ser substituído por qualquer outro modelo ou especificação de dispositivo intrinsecamente seguro (instrumento) ou dispositivo associado, que não tenha sido testado e aprovado por um órgão de inspeção segundo essa combinação específica. Atualmente, o método reconhecido pelas instituições de inspeção da China é principalmente a certificação por sistema. No entanto, esse método de certificação se torna bastante complexo quando há muitos tipos de instrumentos intrinsecamente seguros e barreiras de segurança, sendo assim, já não é mais adequado para os designs industriais atuais. ②Avaliação de parâmetros: A certificação por parâmetros é mais utilizada em projetos no exterior. A certificação de parâmetros refere-se à verificação e certificação de um único dispositivo (instrumento intrinsecamente seguro ou dispositivo associado), com a definição de um conjunto correspondente de parâmetros de segurança. Geralmente, os dispositivos intrinsecamente seguros certificados por esse método podem ser conectados e utilizados com dispositivos associados que possuam parâmetros de segurança compatíveis. A FM dos EUA (Factory Joint Research Association) chama esse método de aprovação de “aprovação integral”, e os parâmetros de segurança correspondentes são denominados “parâmetros integrais”. Esses parâmetros incluem o seguinte: ◆ O parâmetro geral do dispositivo intrinsecamente seguro, Ui, representa a tensão máxima que um dispositivo intrinsecamente seguro pode suportar em condições de falha ； Ii é a corrente máxima aceitável para um dispositivo intrinsecamente seguro em condições de falha ； Ci é a capacitância não protegida dentro de um dispositivo intrinsecamente seguro ； Li é a indutância não protegida internamente nos dispositivos de tipo intrinsecamente seguros. ◆Parâmetros gerais dos dispositivos conectados: Uo – é a tensão em condições de circuito aberto, ou seja, a maior tensão que pode ser transmitida para áreas perigosas em caso de falha. Io – é a corrente em curto-circuito, ou seja, a maior corrente que pode ser transmitida para áreas perigosas em caso de falha ； Dispositivos de acoplamento permitem a conexão de uma capacitância máxima externa ； Lo — permite a indutância máxima externa para dispositivos conectados. Com a aprovação por parâmetros, ao projetar um sistema intrinsecamente seguro, o usuário precisa apenas comparar os parâmetros gerais dos dispositivos relacionados com os do dispositivo intrinsecamente seguro. Quando satisfazem a seguinte equação, não é necessário obter a aprovação de um órgão de certificação para que possam constituir um sistema de segurança. A compatibilidade dos parâmetros de segurança do barreira de segurança, dos instrumentos intrinsecamente seguros e dos cabos deve atender a 5 inequações indicadas na Tabela 1: Tabela 1 – 5 inequações para o cálculo de circuitos intrinsecamente seguros. Fórmulas: Parâmetros da barreira de segurança; Condições de compatibilidade dos parâmetros de segurança; Parâmetros dos instrumentos intrinsecamente seguros + Parâmetros dos cabos: 1. Uo ≤ Ui 2. Io ≤ Ii 3. Po ≤ Pi 4. Co ≥ Ci + ∑Cc 5. Lo ≥ Li + ∑Lc. Nota: ∑Lc e ∑Cc representam a capacitância distribuída e a indutância distribuída dos cabos conectados. O reconhecimento de parâmetros é um método de certificação amplamente utilizado em projetos no exterior, e também foi reconhecido pela Estação de Supervisão da Segurança de Instrumentos de Nível ** na China. As 5 inequações apresentadas na Tabela 1 são fundamentais para determinar se o circuito intrinsecamente seguro atende aos requisitos normativos. ③O FISCO reconhece o conceito de segurança intrínseca dos barramentos de campo, conhecido como FISCO. Esse modelo foi desenvolvido pela PTB da Alemanha (Physikalisch Technische Bundesanstalt). O FISCO permite que o Profibus-PA seja instalado de maneira segura e à prova de explosões, tornando possível seu uso em zonas Ex. O FISCO é adequado para os modos intrinsecamente seguros e à prova de explosão EE*a IIC e EE*b IIC/IIB. Estudos mostram que o número de instrumentos de campo conectados aos segmentos do Profibus-PA é limitado apenas pelas características elétricas dos acopladores entre os segmentos. O número máximo de instrumentos de campo que podem ser conectados a cada segmento é atingido, e os segmentos podem ser expandidos dentro dos limites estabelecidos pelo FISCO, sem a necessidade de realizar novos cálculos relacionados à segurança elétrica. Os instrumentos de campo de diferentes fabricantes podem ser intercambiados, sem a necessidade de realizar novos cálculos de segurança, mas os instrumentos substituídos devem ser certificados pela FISCO. Um ponto especialmente importante é que não é necessária certificação do sistema; basta verificar a correspondência de alguns parâmetros principais. A certificação FISCO está sujeita às seguintes condições. a) Cada seção permite apenas uma fonte de alimentação. b) Todas as estações devem estar em conformidade com o modelo FISCO e ter sido verificadas como adequadas. c) O comprimento do cabo não deve exceder 1000 m (tipo à prova de explosão IA) / 1900 m (tipo à prova de explosão IB). d) Os parâmetros dos cabos devem atender aos seguintes valores: R′=15～150Ω/km, L′=0,4～1mH/km, C′=80～200nF/km. e) Todas as combinações de dispositivos de alimentação e equipamentos locais devem garantir que, em caso de falha, as variáveis de entrada permitidas para qualquer equipamento local (Ui, Ii e Pi) sejam maiores do que as variáveis de saída máximas e aceitáveis do respectivo dispositivo de alimentação (Uo, Io, Po) ； Nos Estados Unidos: Vmax, I max, Pmax). 3. Cálculo dos circuitos intrinsecamente seguros – IEC 60079-14:2007, parágrafo 12.2.5: “A menos que um determinado circuito intrinsecamente seguro tenha sido certificado, todos os circuitos intrinsecamente seguros devem ser submetidos a cálculos de segurança de acordo com esta norma”. Com base em experiências anteriores, o proprietário do projeto percebe que, mesmo quando se utilizam instrumentos intrinsecamente seguros, cabos intrinsecamente seguros e barreiras de segurança adequadas, ainda existem 30% dos circuitos que apresentam riscos de segurança. Para reduzir os riscos, todos os circuitos intrinsecamente seguros utilizados no projeto devem contar com certificados de certificação intrinsecamente segura dos instrumentos e das barreiras de segurança correspondentes, bem como com cálculos relacionados aos circuitos intrinsecamente seguros. ①Cálculo do circuito intrinsecamente seguro de um dispositivo associado ◆ Circuito intrinsecamente seguro simples O circuito intrinsecamente seguro simples é mostrado na Figura 2. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212207179401.png Figura 2: Circuito intrinsecamente seguro simples. Como exemplo, considera-se o circuito LIA+S+100.01; os cálculos estão apresentados na Tabela 2. Tabela 2: Parâmetros do circuito LIA+S+100.01
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Após calcular os parâmetros acima, verificou-se que eles atendem aos requisitos das 5 inequações listadas na Tabela 1. Portanto, esse circuito passou nos testes de segurança e pode ser utilizado em áreas explosivas. ◆No circuito combinado de tipo intrinsecamente seguro, no projeto, o transmissor de nível por diferença de pressão LT100.01 é instalado no topo do tanque. Para facilitar a leitura dos dados, é adicionado um instrumento indicador local LI100.01 no chão, conectado em série ao circuito anterior, conforme mostrado na Figura 3. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212213525326.png Figura 3: Circuito misto LIA+S+100,01. De acordo com a norma IEC 60079-14:2007, ponto 12.2.5.2: “Se a indutância total de distribuição e a capacitância total de distribuição forem maiores que 1% de Lo e 1% de Co, respectivamente, então, no cálculo, tanto Lo quanto Co devem ser divididos por 2”. Esse tipo de circuito misto apresenta as seguintes situações, conforme mostrado na Figura 4. Figura 4: Lógica de cálculo do circuito intrinsecamente seguro em circuitos mistos (Legenda da figura: Li=Li1+Li2) ； Ci = Ci1 + Ci2) a) Se o circuito incluir apenas os cabos Lc e Cc, então a soma da indutância dos instrumentos de campo, Li, ou a soma da capacitância, Ci, será igual a 0; ou então, uma dessas valores será igual a 0. Nesse caso, o cálculo em regime “intrinsic safety” é feito com base nas 5 inequações apresentadas na Tabela 1. b) Se Ci ≤ 1Co ou Li ≤ 1Lo, o cálculo intrinsecamente seguro é feito com base nas 5 inequações apresentadas na Tabela 1. c) Se forem satisfeitas simultaneamente as condições Ci＞1Co e Li＞1Lo, não se utilizarão mais as inequações relativas à indutância e à capacitância apresentadas na Tabela 1. Nesse caso, os valores de indutância e capacitância do barramento de segurança serão divididos por 2 para fins de cálculo, conforme indicado na Tabela 3. Tabela 3: Cinco inequações utilizadas no cálculo dos circuitos intrinsecamente seguros mistos. Parâmetros da barreira de segurança; condições de correspondência dos parâmetros de segurança; parâmetros dos instrumentos intrinsecamente seguros + parâmetros dos cabos. 1. Uo ≤ Ui 2. Io ≤ Ii 3. Po ≤ Pi 4. Co/2 ≥ Ci + ∑Cc 5. Lo/2 ≥ Li + ∑Lc. Da mesma forma, tomando como exemplo o circuito LIA+S+100.01, os resultados estão listados na Tabela 4. Há um instrumento indicador LI100.01 conectado em série no circuito. Tabela 4: Parâmetros do circuito misto LIA+S+100.01
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Li = Li1 + Li2 = 0,73 + 0,04 = 0,77 mH ； Lo=4,2mH ； Li＞1%Lo ； Ci = Ci1 + Ci2 = 22,5 + 0 = 22,5 nF ； Co=83nF ； Ci＞1%Co ； Quando se satisfazem simultaneamente as duas desigualdades: Li > 1Lo e Ci > 1Co, então, nos cálculos de tipo intrinsecamente seguro, deve-se utilizar as desigualdades apresentadas na Tabela 3. Os resultados dos cálculos não devem satisfazer as condições Co/2 ≥ Ci + Cc e Lo/2 ≥ Li + Lc ； Portanto, esse circuito não passou pelo cálculo intrinsecamente seguro. Solução: Divida um circuito em dois circuitos separados que se conectam ao sistema. Adicione uma barreira de segurança para a saída AO, de modo que haja dois circuitos intrinsecamente seguros (como mostrado na Figura 5). Calcule cada um dos dois circuitos separadamente; ambos poderão ser considerados intrinsecamente seguros. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212358132679.png http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220002179350.png Figura 5: Divisão de circuitos intrinsecamente seguros complexos em circuitos intrinsecamente seguros simples. ② Cálculos para circuitos intrinsecamente seguros complexos: Se um circuito intrinsecamente seguro contiver dois ou mais dispositivos interligados, ou se dois ou mais circuitos intrinsecamente seguros estiverem conectados entre si, todo o sistema intrinsecamente seguro deve passar por cálculos teóricos rigorosos ou por testes de faísca conforme especificado nas normas IEC. No entanto, como um barreira de segurança pode ser conectada a dois circuitos (como mostrado na Figura 6), ou um circuito de detecção pode envolver duas barras de segurança (como mostrado na Figura 7), o método de cálculo para os circuitos intrinsecamente seguros torna-se bastante complexo. Os valores máximos permitidos para indutância e capacitância precisam ser determinados por meio da consulta das curvas correspondentes de ignição. Por isso, é recomendável evitar o uso desses circuitos no projeto. http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220144278433.png Figura 6: Circuito intrinsecamente seguro com barreiras de segurança em paralelo. http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220017326549.png Figura 7: Circuito intrinsecamente seguro com 2 barreiras de segurança conectadas a um único ponto de detecção. ③ Requisitos de temperatura para dispositivos simples no circuito intrinsecamente seguro. Para dispositivos simples, embora alguns documentos indiquem que eles não precisam de certificação antivazamento, eles podem ser utilizados livremente nos circuitos intrinsecamente seguros. No entanto, devido à influência da temperatura da superfície na proteção contra explosões, quando a temperatura do meio a ser medido é alta, ocorre condução de calor para o instrumento, fazendo com que a temperatura da superfície dos componentes elétricos se torne excessiva, ultrapassando os limites estabelecidos para zonas à prova de explosão. Nesses casos, é necessário utilizar instrumentos de tipo “estendido” ou montá-los de forma separada, para que os equipamentos elétricos operem dentro da faixa de temperatura permitida pelo certificado de certificação. ④O cálculo de segurança intrínseca dos circuitos intrínsecos da barramento FF: os métodos de proteção contra explosões para instrumentos de campo FF são baseados em proteção tipo a prova de explosão (EEx d), proteção intrínseca (EE*) e proteção sem faíscas (EEx nL). Considerando a segurança contra falhas e a segurança durante manutenções em condições de tensão, a Fundação do Barramento de Campo recomenda, basicamente, o método de proteção EE*. a) Troncos e ramificações de tipo intrinsecamente seguro, utilizados em zonas 1 antiexplosivas, conforme mostrado na Figura 8. Esse esquema consiste em colocar uma barreira de segurança entre o cartão H1 e o sistema de distribuição de energia, bem como entre os instrumentos de campo. A vantagem disso é que tanto o cabo principal quanto os cabos secundários são do tipo intrinsecamente seguro, permitindo assim a manutenção com o equipamento ainda ligado. Mas esse plano costuma ser bastante difícil de implementar na prática. A razão é que a estrutura topológica de cada segmento de rede é bastante complexa, e existem muitos tipos de instrumentos utilizados. Isso torna muito difícil calcular a capacidade e a indutância distribuídas no segmento de rede. Em particular, é impossível calcular a capacidade e a indutância distribuídas nas partes ramificadas da rede. Além disso, devido ao efeito de limitação de energia do barramento de segurança, o número de instrumentos que podem ser conectados em cada segmento de rede, bem como o comprimento dos cabos, são fortemente limitados. http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220043423777.png Figura 8: O barramento principal e os ramais do tipo intrinsecamente seguro também utilizam o modelo FISCO. Em outras palavras, além das exigências tradicionais para a certificação de instrumentos intrinsecamente seguros, são adicionadas algumas exigências adicionais adequadas às necessidades dos barramentos de campo. Isso permite que, desde que cada segmento da rede seja projetado de acordo com essas restrições, não seja necessário realizar cálculos complexos relacionados à segurança, mesmo quando há adição ou modificação de instrumentos de campo. Esse esquema, no qual tanto o tronco principal quanto as ramificações são de tipo intrinsecamente seguro, possui deficiências evidentes. Primeiramente, como as barreiras de segurança não podem ser redundantes, isso faz delas um ponto fraco em termos de segurança em todo o segmento de rede ； Em segundo lugar, não é permitida a mistura simples de medidores de campo com autenticação Entity e medidores de campo com autenticação FISCO no mesmo intervalo de endereços. Ou seja, os medidores de campo Entity devem ser conectados à fonte de alimentação Entity, e os medidores de campo FISCO devem ser conectados à fonte de alimentação FISCO ； Terceiro, embora o segmento de rede FISCO permita a instalação de mais dispositivos de medição do que o segmento de rede Entity, o número máximo é de 6 dispositivos. O aumento do número de segmentos de rede faz com que o custo de investimento seja muito alto. b) Troncos de tipo aumentado de segurança e ramificações de tipo intrinsecamente seguro, para zonas 1 à prova de explosões. Esse esquema foi desenvolvido com base no avanço da tecnologia de barreiras de segurança em campo (Fieldbarrier, EEx meIICT4). A ideia é transferir as barreiras de segurança, que têm a função de limitar a energia, do ponto de partida da linha principal para os diferentes ramais, ou seja, para os quadros de conexão. Dessa forma, é possível limitar a energia para cada instrumento em campo, permitindo assim a compatibilidade entre os instrumentos FISCO e Entity, de modo que eles possam ser utilizados juntos na mesma rede. O cálculo intrinsecamente seguro para esse tipo de barramento pode ser feito simplesmente seguindo o método de certificação de parâmetros, desde a barreira de segurança no local até os instrumentos locais. Este método é atualmente bastante prático e está sendo cada vez mais aceito por mais usuários. Nos últimos anos, com a adesão plena da China ao sistema IECEx, o país também alcançou um nível internacional em termos de tecnologias de teste e certificação de produtos elétricos à prova de explosões. Com a ampla utilização da tecnologia intrinsecamente segura em indústrias perigosas como a petrolífera e a química na China, os sistemas intrinsecamente seguros têm recebido cada vez mais atenção. O projeto de sistemas intrinsecamente seguros contra explosões também segue normas mais rigorosas. Os cálculos relacionados à segurança intrínseca tornam-se uma etapa essencial no processo de engenharia, oferecendo assim uma proteção mais confiável para a produção segura nas indústrias chinesas que operam em ambientes propensos a explosões, como as de petróleo, químicos e carvão. Quem estiver interessado pode visitar o “Changhui Instrument Network” para ler mais artigos úteis que ajudam a melhorar o nível da tecnologia de controle automático de instrumentos. Autora: Wang Zhen