V prostředí s nebezpečím výbuchu je náležitá certifikace bezpečnostního přístrojového vybavení velmi důležitá

V prostředí s nebezpečím výbuchu je náležitá certifikace bezpečnostního přístrojového vybavení velmi důležitá

Vhodný výběr je rozhodujícím faktorem pro správné sestavení systému snímání polohy.

Velká část průmyslových zařízení bývá v praxi používána v prostředí s nebezpečím výbuchu, případně v rámci aplikací, které vyžadují posouzení funkční bezpečnosti. Mezi nebezpečné prostory patří místa, kde existuje reálné riziko působení hořlavých, ba dokonce výbušných látek. Za takovýchto okolností se zajištění trvalého provozování zařízení může ukázat jako docela náročný úkol. Je proto nanejvýš důležité, aby jednotlivé součásti, které tvoří dané zařízení, byly zkonstruovány tak, aby byla zajištěna jejich správná funkce v těchto bezpečnostně náročných prostředích.

Aplikace funkční bezpečnosti jsou takové aplikace, v rámci nichž musí být zajištěn bezpečný provoz vzhledem k riziku poškození zařízení či poranění osob. V průmyslových systémech jsou široce používány lineární snímače polohy. V mnoha případech je zapotřebí vzít v úvahu potenciál vzniku nebezpečných událostí, v opačném případě se můžeme setkat se závažnými důsledky, např. se značným poškozením drahého zařízení nebo s vážným ohrožením lidských životů.

V prostředí s nebezpečím výbuchu přináší přítomnost hořlavých plynů, par, kapalin nebo prachu významné riziko pro činnost elektrického zařízení, jelikož panuje obava, že provozované zařízení by mohlo přispět ke vznícení hořlavé látky. U těch zařízení, která využívají technologii detekce polohy, by měl základní snímací mechanismus mít odpovídající funkce pro řešení těchto problémů.

Před provedením hloubkové studie musí být jasné, že zařízení klasifikovaná pro použití v nebezpečném prostředí jsou určena pro provozování v potenciálně výbušném prostředí a že produkty funkční bezpečnosti jsou zároveň určeny pro aplikace, kde existuje riziko pro zařízení nebo lidi. Tyto dva parametry nejsou vzájemně nevyhnutelně propojeny. Aplikace může vyžadovat buď funkční bezpečnost, nebo klasifikaci nebezpečnosti prostředí, aniž by bylo nutně vyžadováno obojí najednou. 

Definování nebezpečných prostor

V praxi se setkáváme s velkým množstvím nebezpečných prostor. Mezi nejznámější patří ropné rafinerie, plynárny, chemické závody, farmaceutická zařízení, čistírny odpadních vod, prostory, kde probíhají operace chemického čištění, stejně jako místa, kde se průmyslové chemikálie zpracovávají/produkují, skladovací prostory kovových prášků (např. hořčíkový a hliníkový prášek) či prostory, v nichž se vyrábějí chemicky aktivní produkty (např. hnojiva).

Na každé elektrické zařízení, které se bude nacházet v prostředí s nebezpečím vznícení či výbuchu, se vztahuje povinné dodržování přísných průmyslových standardů. Nejvýznamnějšími z těchto norem jsou normy IECEx zabývající se elektrickými součástmi pro výbušná prostředí, jež vydala Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC), dále normy ATEX vydané Evropskou unií (viz směrnice 99/92/ES zaměřená na minimální bezpečnostní a zdravotní požadavky na ochranu zaměstnanců pracujících v prostředí s nebezpečím výbuchu a směrnice 94/9/ES určená pro zařízení a ochranné systémy příslušné pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu) a normy NFPA 70: Národní elektrotechnický kód (NEC), které jsou uplatňovány ve Spojených státech. U zařízení, která jsou používána kdekoli v rámci Severní Ameriky, by certifikace měla být provedena prostřednictvím celostátně uznávané testovací laboratoře; nezbytnou podmínkou je též náležité označení dle požadavků příslušných norem.

V normách jsou definovány (klasifikovány) skupiny a kategorie označující druh nebezpečí. Rozsah se může pohybovat od nepravděpodobné přítomnosti výbušné látky až po kontinuální přítomnost dané látky. Pro dosažení potřebné certifikace jsou používány různé metody ochrany. Ty jsou závislé na typu, stavu a charakteru daného prostředí. 

Funkční bezpečnost dle 

Koncepce funkční bezpečnosti spočívá v tom, že poté, co je detekována potenciálně nebezpečná situace, lze přijmout taková opatření, abychom byli schopni zabránit vzniku nebezpečné události nebo aby bylo v našich silách zajistit, že pokud k ní dojde, bude její účinek zmírněn na přijatelnou míru, tedy že nedojde k ohrožení operátorů a k poškození drahého zařízení. Norma IEC 61508 poskytuje předlohu, podle které lze vyhodnotit, že bezpečnostní funkce fungují dle požadované úrovně, včetně poruchových stavů. Dodržování normy IEC 61508 pomáhá snížit riziko poruchy u konkrétní nebezpečné situace pomocí bezpečnostních funkcí, jež umožňují její detekci. Kromě toho umožňuje stanovit míru pravděpodobnosti vzniku poruchy.

Bezpečnostní přístrojové vybavení je rozděleno do kategorií v souladu s určitou úrovní integrity bezpečnosti (SIL – safety integrity level), která se vztahuje k pravděpodobnosti, s jakou může dojít k poruše. U přístrojů certifikovaných v kategorii SIL 1 je pravděpodobnost výskytu poruchy mezi 0,01/h a 0,1/h při občasném provozování, což se promítá do pravděpodobnosti výskytu poruchy nižší než 0,00001/h pro přístroje provozované nepřetržitě.

U přístrojů certifikovaných v kategorii SIL 2 je pravděpodobnost výskytu poruchy mezi 0,001/h a 0,01/h při občasném provozování, což se promítá do pravděpodobnosti výskytu poruchy nižší než 0,000001/h pro přístroje s nepřetržitým provozem.

Poruchy jsou klasifikovány buď jako bezpečné, nebo jako nebezpečné a mohou být buď detekované, nebo nedetekované. Podíl bezpečných poruch definuje poměr poruch, které jsou buď bezpečné, nebo detekované, vzhledem k celkovému počtu poruch. Na základě těchto dat jsme schopni stanovit pravděpodobnost nebezpečných, nedetekovaných poruch.

I v tom nejlepším možném případě povede porucha zařízení nebo přístrojového vybavení k provozním prostojům. Následkem pak bude snížení produktivity, vznik dodatečných nákladů na opravu a výměnu součástí atd.

Prostřednictvím funkční bezpečnosti je možné kvantifikovat pravděpodobnost výskytu nebezpečné události a určit možné důsledky. V rámci navrhování průmyslových systémů, které se budou nacházet v prostředí s nebezpečím výbuchu, musejí konstruktéři zahrnout aspekty funkční bezpečnosti do svého myšlenkového procesu. Tato záležitost nemůže a ani nesmí být ponechána na poslední chvíli; každopádně by měla být klíčovým hlediskem v průběhu celého vývojového cyklu. 

Klíčové metody ochrany

K dispozici je široká škála metod, které mohou být použity ke zmírnění vlivu prostředí s nebezpečím výbuchu. Jako základní ochrana může sloužit odstínění. Konstrukční řešení systému počítá s požadavkem udržet citlivé komponenty ve větší vzdálenosti od míst, kde jsou nejnáročnější podmínky. Velký význam rovněž spočívá v zálohování systému, takže v případě selhání poruchy je k dispozici rezervní zajištění požadované funkce.

Existuje-li neustálá hrozba z důvodu přítomnosti výbušných látek, za nezbytné je považováno umístění elektronických/elektrických přístrojů do skříňky odolné proti výbuchu. Tímto jsme schopni pojmout vnitřní explozi tak, aby vnější prostředí zůstalo nezasaženo. 

Detekce polohy v prostředí s nebezpečím výbuchu

Snímací zařízení je používáno v mnoha aplikacích, aby byla pro uživatele k dispozici zpětná vazba ohledně aktuální polohy. Tyto informace potřebujeme znát právě v nebezpečných prostředích a situacích. Jako příklady lze uvést plynové/parní turbíny v elektrárnách, zařízení na těžbu ropy či zemního plynu, velké hydraulické lisy, zařízení na skladování pohonných hmot  atd. Tento seznam není samozřejmě úplný a mohl by ještě dlouho pokračovat. Pro tyto situace jsou k dispozici různé snímací mechanismy, které můžeme použít k provedení měření aktuální polohy. Patří mezi ně: 

  1. Potenciometry: Fungují jako děliče napětí s tím, že měření polohy je uskutečněno pomocí napěťového signálu, který je přímo úměrný bodu, v němž je umístěn jezdec na lineárním prvku snímače. Tato metoda byla v minulosti velmi populární, ale má své nedostatky, které jsou stále více patrné v současných implementacích. Nejpozoruhodnější z nich je poznatek, že potenciometry jsou náchylné k mechanickému opotřebení. Je to v důsledku kontaktu mezi převodníkem a jezdcem. 
  1. Enkodéry: Využívají čtecí hlavu pro skenování označené stupnice a tím indikují přírůstkové změny své polohy. Dlouhodobý provoz tohoto druhu mechanismu způsobuje jeho náchylnost k poruchám z důvodu přítomnosti vibračního pohybu a kvůli vysokým teplotám. Kromě toho jsou tyto přístroje v náročných průmyslových prostředích často vystaveny působení oleje, špíny a dalších látek, což v praxi znamená, že vyžadují čištění a údržbu v pravidelných intervalech (toto vše zvyšuje provozní náklady). 
  1. Snímače LVDT (linear variable differential transformer): Pracují na principu změny vzájemné indukčnosti primárního a sekundárních vinutí. Díky své vysoké teplotní odolnosti jsou tato zařízení poměrně široce používána v prostředích s nebezpečím výbuchu. Nicméně vykazují chabou linearitu a rovněž vyžadují pravidelnou rekalibraci. 
  1. Magnetostrikční lineární snímače polohy: Při použití principu magnetostrikce, v rámci které je magnetické pole schopno změnit fyzikální vlastnosti feromagnetického materiálu, prokázaly magnetostrikční snímače, že jsou vysoce účinné při měření přesné polohy v nebezpečných aplikacích. Vzhledem k tomu, že tyto přístroje poskytují spíše absolutní hodnotu polohy než relativní, eliminují rovněž požadavek na rekalibraci. Kromě toho se u této aplikace nevyskytují čtecí hlavy, a proto lze z rovnice vymazat časové náklady na čištění a údržbu.

Stojí také za zmínku, že mají mnohem větší odolnost proti nárazům i vibracím a mnohem lépe odolávají elektromagnetickému rušení než ostatní možnosti měření. Konečně (a co je v tomto kontextu nejdůležitější) je i poměrně snadné do těchto zařízení integrovat mechanismy funkční bezpečnosti. 

Magnetostrikce a magnetostrikční snímání

Je-li feromagnetický materiál umístěn v magnetickém poli, dojde k vyvolání mikroskopických změn v jeho struktuře. V důsledku toho se změní jeho rozměry, což je známo jako magnetostrikce. Velikost rozměrové změny přímo koreluje se silou působícího magnetického pole. Tento jev skýtá vysoce efektivní bezkontaktní metodu snímání. Jelikož nejsou do této metody měření zahrnuty žádné pohyblivé části, magnetostrikční snímače nabízejí zvýšenou spolehlivost a prodlouženou provozní životnost.

Rostoucí požadavky na funkční bezpečnost, kterou je zapotřebí řešit v nebezpečných aplikacích, nás čím dál tím více nutí k tomu, abychom upouštěli od tradičního snímání polohy pomocí snímačů LVDT a směřovali k sofistikovanějšímu přístupu k problematice, jenž bude založen na magnetostrikci. Jmenovali jsme si nevýhody, které doprovázejí používání snímačů LVDT, tj. jejich slabší výkon a zkrácená provozní životnost, a jednoznačně můžeme tvrdit, že snímače LVDT a další výše uvedené snímače polohy nejsou schopny nabídnout stejnou úroveň funkční bezpečnosti jako magnetostrikční přístroje. Vhodný výběr snímačů polohy je totiž při navrhování systému snímání polohy klíčovým faktorem. Existuje mnoho různých okolností, které musejí být brány v úvahu, pokud má být pro danou aplikaci navrženo skutečně maximálně vhodné zařízení. Nepochybně stojí za to zkontaktovat se s výrobci snímačů, kteří nabízejí komplexní portfolio snímačů a velmi dobře rozumějí problematice funkční bezpečnosti přístrojů a zařízení.

Matt Hankinson pracuje na pozici global business intelligence manažera ve společnosti MTS Sensors, která sídlí ve městě Cary ve státě Severní Karolína.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz