Ako správne vybrať iskrovo bezpečnú bariéru pre signál 4–20 mA

Signál 4–20 mA patrí medzi najpoužívanejšie analógové signály v priemyselnej meracej a regulačnej technike. Používa sa pri tlakových prevodníkoch, hladinomeroch, prietokomeroch, snímačoch teploty aj pri mnohých ďalších zariadeniach.

Ak je však meracie zariadenie umiestnené v prostredí s nebezpečenstvom výbuchu, medzi poľným zariadením a riadiacim systémom môže byť potrebné zaradiť vhodné iskrovo bezpečné rozhranie.

A práve tu vzniká častá chyba.

Nestačí povedať:

„Potrebujem bariéru pre 4–20 mA.“

Pri výbere musíme vedieť, aký typ zariadenia pripájame, kto napája prúdovú slučku, aké sú elektrické a Ex parametre zariadenia, či potrebujeme HART a kam signál ďalej smeruje.

Prečo sa pri 4–20 mA používa iskrovo bezpečná bariéra?

Predstavme si typickú aplikáciu:

tlakový prevodník v Ex zóne → 4–20 mA → PLC/DCS v bezpečnom priestore

Pri ochrane typu Ex i – intrinsic safety je elektrická energia dostupná v obvode obmedzená tak, aby za definovaných normálnych a poruchových podmienok nemohla spôsobiť iniciáciu príslušnej výbušnej atmosféry.

Iskrovo bezpečná bariéra alebo galvanický oddeľovač vytvára rozhranie medzi:

• iskrovo bezpečnou stranou smerujúcou do Ex prostredia,
• neiskrovo bezpečnou stranou riadiaceho systému.

Bariéra však musí byť správne zvolená pre konkrétny elektrický obvod.

Prvá otázka: aké zariadenie pripájame?

Toto je pri výbere úplný základ.

Označenie 4–20 mA samo osebe nestačí.

Najčastejšie sa stretávame s 2-vodičovým prevodníkom napájaným priamo z prúdovej slučky.

Typickým príkladom je:

• tlakový prevodník,
• prevodník diferenčného tlaku,
• radarový hladinomer,
• niektoré prietokomery,
• prevodník teploty.

Takýto prevodník potrebuje zo slučky energiu na svoju prevádzku a zároveň prostredníctvom tej istej dvojice vodičov prenáša meranú hodnotu ako prúd 4–20 mA.

V tomto prípade musí vhodné IS rozhranie zabezpečiť aj podmienky potrebné na napájanie poľného zariadenia.

Aktívny a pasívny signál 4–20 mA nie je to isté

Toto patrí medzi najčastejšie zdroje nesprávneho výberu bariéry.

Pri prúdovej slučke musíme vedieť, kde sa nachádza zdroj napájania slučky.

Zjednodušene môžeme rozlišovať:

2-vodičový prevodník napájaný zo slučky

Prevodník nemá samostatné napájanie.

Potrebuje napájanie prostredníctvom dvojice vodičov, ktorými zároveň prenáša 4–20 mA.

Potrebujeme teda rozhranie vhodné pre loop-powered transmitter.

Zariadenie s aktívnym prúdovým výstupom

Niektoré zariadenia majú vlastné napájanie a na výstupe samy generujú signál 4–20 mA.

V takom prípade môže byť potrebný iný typ vstupu bariéry.

Pasívny vstup na strane PLC/DCS

Aj na strane riadiaceho systému musíme vedieť, či analógový vstup:

• iba meria prúd,
• alebo zároveň poskytuje napájanie slučky.

Nesprávna kombinácia aktívnych a pasívnych vstupov a výstupov môže viesť k tomu, že slučka nebude fungovať napriek tomu, že všetky komponenty samostatne podporujú 4–20 mA.

Nestačí skontrolovať iba označenie ATEX

Ak je bariéra určená pre Ex aplikácie, ešte to automaticky neznamená, že ju môžeme pripojiť ku ktorémukoľvek iskrovo bezpečnému prevodníku.

Musíme posúdiť kompatibilitu celej iskrovo bezpečnej slučky.

Pri zariadeniach posudzovaných pomocou entity parametrov sa stretávame napríklad s nasledujúcimi hodnotami.

Na strane zdroja energie – napríklad bariéry:

• Uo – maximálne výstupné napätie,
• Io – maximálny výstupný prúd,
• Po – maximálny výstupný výkon,
• Co – maximálna prípustná vonkajšia kapacita,
• Lo – maximálna prípustná vonkajšia indukčnosť.

Na strane poľného zariadenia:

• Ui – maximálne dovolené vstupné napätie,
• Ii – maximálny dovolený vstupný prúd,
• Pi – maximálny dovolený vstupný výkon,
• Ci – vnútorná kapacita,
• Li – vnútorná indukčnosť.

Pri základnom posúdení musí platiť príslušná kompatibilita medzi zdrojom a poľným zariadením, napríklad:

Pri kapacite a indukčnosti už vstupuje do hry aj kábel medzi bariérou a zariadením.

Preto nestačí porovnať iba dva datasheety bez zohľadnenia vedenia.

Tejto problematike sa budeme podrobnejšie venovať v samostatnom článku Entity Parameters pri iskrovej bezpečnosti: ako skontrolovať Ui, Ii, Pi, Ci a Li.

Skontrolujte napäťovú bilanciu slučky

Toto je druhá strana problému.

Slučka môže byť z pohľadu iskrovej bezpečnosti správna, ale napriek tomu nemusí správne merať.

2-vodičový prevodník potrebuje určité minimálne napätie na svojich svorkách.

Do elektrickej slučky však vstupujú:

• napájací zdroj,
• IS bariéra,
• odpor vedenia,
• vstup riadiaceho systému,
• samotný prevodník,
• prípadne ďalšie komponenty.

Každý z nich môže vytvárať určitý úbytok napätia.

Najkritickejšia situácia zvyčajne nastáva pri vyššom prúde slučky, keď sú úbytky na odporových prvkoch väčšie.

Ak prevodníku nezostane dostatočné pracovné napätie, môže dôjsť napríklad k:

• obmedzeniu maximálneho výstupného prúdu,
• nestabilite,
• nesprávnej funkcii,
• výpadkom komunikácie.

Preto treba pri návrhu skontrolovať celú napäťovú bilanciu slučky.

Jednoduchý príklad

Predstavme si tlakový prevodník v Ex zóne s výstupom:

2-vodičový 4–20 mA + HART

Signál potrebujeme priviesť do analógového vstupu PLC v bezpečnom priestore.

Požiadavky na bariéru teda už nie sú iba:

vstup 4–20 mA → výstup 4–20 mA

Potrebujeme overiť:

1. či dokáže napájať 2-vodičový prevodník,
2. či je jej Ex výstup kompatibilný s parametrami prevodníka,
3. či máme dostatočnú napäťovú rezervu,
4. či výstup zodpovedá vstupu PLC,
5. či potrebujeme galvanické oddelenie,
6. či musí byť zachovaná HART komunikácia,
7. či aplikácia vyžaduje SIL,
8. či vyhovuje konkrétnej klasifikácii Ex aplikácie.

Až potom môžeme vybrať konkrétny model.

Potrebujete HART?

Ak používame inteligentný tlakový prevodník, často podporuje okrem analógového signálu 4–20 mA aj HART komunikáciu.

Prostredníctvom nej môžeme podľa možností zariadenia získavať ďalšie informácie alebo vykonávať napríklad:

• konfiguráciu prevodníka,
• diagnostiku,
• čítanie procesných premenných,
• kontrolu stavu zariadenia.

Ak chceme HART využívať aj cez bariéru, musíme vybrať zariadenie, ktoré túto komunikáciu podporuje.

Nie je správne automaticky predpokladať, že každá bariéra pre 4–20 mA je zároveň HART transparentná.

Túto vlastnosť treba overiť v technickej dokumentácii konkrétneho modelu.

Potrebujeme galvanické oddelenie?

Pri návrhu máme na výber medzi rôznymi spôsobmi realizácie iskrovo bezpečného rozhrania.

Klasická Zenerova bariéra môže byť jednoduchým a ekonomickým riešením, ale vyžaduje správne realizované IS uzemnenie.

Galvanicky oddelené rozhranie elektricky oddeľuje poľnú a riadiacu stranu.

To môže byť výhodné najmä pri:

• rozdieloch zemných potenciálov,
• riziku zemných slučiek,
• komplexnejších MaR systémoch,
• požiadavke na ďalšie spracovanie signálu.

Podrobné porovnanie nájdete v článku Zenerova bariéra vs. galvanický oddeľovač: aký je rozdiel a čo zvoliť do Ex prostredia?

Jeden alebo dva kanály?

Pri väčšom počte meracích bodov má význam aj počet kanálov.

Na trhu nájdeme:

• jednokanálové,
• dvojkanálové,
• prípadne systémové viac-kanálové riešenia.

Dvojkanálové vyhotovenie môže znížiť množstvo zariadení v rozvádzači a ušetriť miesto na DIN lište.

Netreba však pozerať iba na počet kanálov.

Pri každom riešení treba overiť:

• elektrické parametre jednotlivých kanálov,
• galvanické oddelenie medzi kanálmi,
• spôsob napájania,
• požadovanú funkčnú bezpečnosť,
• diagnostiku,
• správanie pri poruche.

Čo ak potrebujeme signál rozdeliť?

Niekedy potrebujeme jednu procesnú hodnotu priviesť do viacerých systémov.

Napríklad:

tlakový prevodník → DCS + samostatný bezpečnostný systém

V takom prípade môže byť vhodné rozhranie s funkciou signal splitter.

Jeden vstupný signál sa spracuje a poskytne na dva galvanicky oddelené výstupy.

Treba však rozlišovať medzi obyčajným rozdelením procesného signálu a použitím v bezpečnostnej funkcii.

Ak jeden z výstupov vstupuje do SIF, musí návrh rešpektovať požiadavky funkčnej bezpečnosti celej slučky.

Čo znamená SIL pri bariére?

Pri bezpečnostných aplikáciách môžeme v dokumentácii bariéry nájsť označenie SIL 2 alebo SIL 3.

SIL však nie je synonymom pre ATEX ani iskrovú bezpečnosť.

Ide o inú oblasť bezpečnosti.

Ex ochrana rieši riziko iniciácie výbušnej atmosféry.

Funkčná bezpečnosť rieši spoľahlivosť bezpečnostnej funkcie pri nebezpečnej udalosti.

Ak je bariéra súčasťou bezpečnostnej slučky, treba okrem Ex certifikácie preveriť napríklad:

• Safety Manual,
• failure rates,
• diagnostické parametre,
• architektúru systému,
• požiadavky konkrétnej bezpečnostnej funkcie.

Samotné označenie „SIL 3 capable“ ešte neurčuje SIL celej slučky.

Kde bude bariéra namontovaná?

Aj toto môže ovplyvniť výber.

Typické riešenie predstavuje montáž na DIN lištu v MaR rozvádzači.

Treba však poznať:

• prostredie rozvádzača,
• dostupné napájanie,
• prevádzkovú teplotu,
• montážnu hustotu,
• požadovaný stupeň ochrany,
• priestor na DIN lište,
• spôsob oddelenia IS a non-IS vedení.

Pri veľkom počte signálov môže byť významným kritériom aj šírka modulu.

Rozdiel niekoľkých milimetrov na jeden kanál môže pri desiatkach alebo stovkách slučiek výrazne ovplyvniť veľkosť rozvádzača.

Pozor na samotnú kabeláž

Pri iskrovo bezpečnej slučke nie je kábel iba vodičom signálu.

Jeho elektrické vlastnosti vstupujú do bezpečnostného posúdenia.

Kábel má:

• odpor,
• kapacitu,
• indukčnosť.

Pri dlhších trasách môže byť práve kapacita alebo indukčnosť vedenia faktorom, ktorý obmedzí maximálnu prípustnú dĺžku slučky.

Preto treba poznať parametre použitého kábla a porovnať ich s dovolenými parametrami iskrovo bezpečného obvodu.

Nezabudnite na klasifikáciu Ex prostredia

Výber bariéry nemožno oddeliť od zariadenia a prostredia, v ktorom bude poľná časť pracovať.

Treba poznať napríklad:

• či ide o plyn alebo prach,
• príslušnú zónu,
• skupinu zariadenia,
• skupinu plynu alebo prachu podľa aplikácie,
• teplotnú triedu alebo maximálnu povrchovú teplotu,
• požadovanú úroveň ochrany.

Rozhodujúce sú vždy certifikáty a podmienky použitia konkrétneho zariadenia a celej slučky.

Aké údaje potrebujeme na výber bariéry?

Ak nám zákazník pošle iba informáciu:

Potrebujem IS bariéru pre 4–20 mA.

na spoľahlivý výber to nestačí.

Ideálne potrebujeme:

Ak máme tieto údaje, výber konkrétneho zariadenia je podstatne jednoznačnejší.

Najčastejšie chyby pri výbere bariéry pre 4–20 mA

V praxi sa opakujú najmä tieto:

1. Výber iba podľa označenia „4–20 mA“.
2. Zámena aktívneho a pasívneho signálu.
3. Neoverenie spôsobu napájania 2-vodičového prevodníka.
4. Ignorovanie napäťovej bilancie slučky.
5. Predpoklad, že každá bariéra podporuje HART.
6. Výber podľa ATEX certifikátu bez kontroly entity parametrov.
7. Nezohľadnenie kapacity a indukčnosti kábla.
8. Zámena Ex ochrany a SIL.
9. Nesprávna kombinácia výstupu bariéry a vstupu PLC/DCS.
10. Výber bariéry bez datasheetu a Ex certifikátu konkrétneho poľného zariadenia.

Zapamätajte si

• 4–20 mA nestačí na výber správnej IS bariéry.
• Najskôr treba vedieť, kto prúdovú slučku napája.
• 2-vodičový prevodník potrebuje dostatočné pracovné napätie.
• Ex parametre bariéry musia byť kompatibilné s poľným zariadením.
• Do posúdenia vstupuje aj kapacita a indukčnosť kabeláže.
• Ak potrebujeme HART, bariéra ho musí podporovať.
• Galvanické oddelenie môže eliminovať problémy spôsobené zemnými slučkami.
• ATEX/Ex a SIL predstavujú rozdielne požiadavky.
• Posudzujeme celú slučku od poľného zariadenia až po riadiaci systém.

Záver

Výber iskrovo bezpečnej bariéry pre signál 4–20 mA nie je iba otázkou nájdenia zariadenia so správnym vstupom a výstupom.

Potrebujeme poznať typ prevodníka, spôsob napájania slučky, Ex parametre, napäťovú bilanciu, kabeláž, HART komunikáciu, vstup PLC/DCS a prípadné požiadavky funkčnej bezpečnosti.

Až posúdením celej slučky možno určiť, či je konkrétna bariéra pre danú aplikáciu vhodná.

V REFLOW SK dodávame iskrovo bezpečné bariéry, galvanické oddeľovače a signálové rozhrania G.M. International pre analógové aj digitálne signály. Pri konkrétnej aplikácii vieme na základe typu poľného zariadenia, Ex požiadaviek a riadiaceho systému navrhnúť vhodnú konfiguráciu rozhrania.