Entity Parameters pri iskrovej bezpečnosti: ako správne skontrolovať Ui, Ii, Pi, Ci a Li

Pri návrhu iskrovo bezpečného obvodu nestačí vybrať snímač s certifikáciou ATEX a pripojiť ho k ľubovoľnej iskrovo bezpečnej bariére. Bezpečnosť sa posudzuje pre celú slučku – zdroj energie, poľné zariadenie aj kabeláž medzi nimi.

V technickej dokumentácii sa preto stretávame s parametrami ako Ui, Ii, Pi, Ci a Li na strane poľného zariadenia a Uo, Io, Po, Co a Lo na strane bariéry.

Na prvý pohľad môže ísť o množstvo podobných skratiek. Ich význam je však zásadný.

Ak chceme overiť, či možno konkrétny tlakový prevodník, hladinomer alebo iný prístroj bezpečne pripojiť ku konkrétnej IS bariére, musíme tieto parametre správne porovnať a zároveň zohľadniť vlastnosti kabeláže.

Čo sú Entity Parameters?

Pri iskrovej bezpečnosti Ex i je jedným zo spôsobov posúdenia vzájomnej kompatibility zariadení tzv. entity concept.

Princíp je pomerne jednoduchý.

Zariadenie, ktoré dodáva energiu do iskrovo bezpečného obvodu, má definované maximálne výstupné parametre.

Typicky:

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

Poľné zariadenie má naopak definované maximálne hodnoty energie, ktoré môže bezpečne prijať:

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

Úlohou projektanta je overiť, či sú tieto dve strany vzájomne kompatibilné.

Ktoré parametre patria bariére a ktoré snímaču?

Pre základnú orientáciu pomôže nasledujúca tabuľka:

Prvé tri kontroly sú intuitívne.

Pri kapacite a indukčnosti je situácia o niečo zložitejšia, pretože musíme započítať aj elektrické vlastnosti vedenia.

1. Kontrola napätia: Uo ≤ Ui

Začneme napätím.

Uo predstavuje maximálne napätie, ktoré môže zdroj – napríklad IS bariéra – za definovaných podmienok poskytnúť do iskrovo bezpečného obvodu.

Ui predstavuje maximálne vstupné napätie, ktoré môže poľné zariadenie prijať bez narušenia podmienok jeho iskrovej bezpečnosti.

Musí teda platiť:

Uo ≤ Ui

Príklad

IS bariéra:

Uo = 25,2 V

Tlakový prevodník:

Ui = 30 V

Porovnanie:

25,2 V ≤ 30 V

Z pohľadu napätia je táto podmienka splnená.

Ak by však bariéra mala napríklad:

Uo = 32 V

a prevodník:

Ui = 30 V

kombinácia by túto podmienku nespĺňala.

2. Kontrola prúdu: Io ≤ Ii

Rovnakým spôsobom kontrolujeme prúd.

Io je maximálny výstupný prúd zdroja.

Ii je maximálny vstupný prúd dovolený pre poľné zariadenie.

Musí platiť:

Io ≤ Ii

Príklad

Bariéra:

Io = 93 mA

Prevodník:

Ii = 200 mA

Potom:

93 mA ≤ 200 mA

Podmienka je splnená.

Dôležité je nezamieňať Io s bežným procesným prúdom 4–20 mA.

Hodnota Io je bezpečnostný parameter iskrovo bezpečného výstupu, nie údaj o aktuálnej meranej procesnej hodnote.

3. Kontrola výkonu: Po ≤ Pi

Ďalším parametrom je výkon.

Po predstavuje maximálny výstupný výkon zdroja v rámci jeho IS parametrov.

Pi predstavuje maximálny vstupný výkon poľného zariadenia.

Kontrolujeme:

Po ≤ Pi

Príklad

Bariéra:

Po = 0,65 W

Prevodník:

Pi = 1,0 W

Platí:

0,65 W ≤ 1,0 W

Aj táto podmienka je splnená.

Pozor na častú chybu

Výkon Po sa nemá svojvoľne určovať jednoduchým výpočtom:

Uo × Io

Ak výrobca uvádza Po v Ex dokumentácii, pri posúdení používame certifikovanú hodnotu výrobcu.

Uo, Io a Po sú parametre definované pre konkrétny iskrovo bezpečný výstup.

Prvé tri podmienky máme. Stačí to?

Nie.

Toto je častá chyba pri kontrole IS slučky.

Projektant porovná:

Uo ≤ Ui
Io ≤ Ii
Po ≤ Pi

a skonštatuje, že zariadenia možno prepojiť.

Treba však skontrolovať ešte kapacitu a indukčnosť.

A tu už do posúdenia vstupuje aj kábel.

4. Kontrola kapacity: Co

Každé elektrické zariadenie aj vedenie má určitú kapacitu.

Poľné zariadenie má v dokumentácii uvedenú vnútornú kapacitu:

Ci

Kábel medzi bariérou a zariadením pridáva ďalšiu kapacitu:

Ckábel

Na strane bariéry máme parameter:

Co

Ten určuje maximálnu vonkajšiu kapacitu, ktorá môže byť pripojená k danému iskrovo bezpečnému výstupu za stanovených podmienok.

Zjednodušene kontrolujeme:

Ci + Ckábel ≤ Co

Ako vypočítať kapacitu kábla?

Výrobca kábla môže udávať kapacitu napríklad:

100 pF/m

Ak máme vedenie dlhé:

300 m

potom:

Ckábel = 100 pF/m × 300 m

Výsledok:

30 000 pF = 30 nF = 0,03 µF

Ak má poľné zariadenie:

Ci = 5 nF

celková vonkajšia kapacita bude:

5 nF + 30 nF = 35 nF

Ak bariéra povoľuje:

Co = 83 nF

potom:

35 nF ≤ 83 nF

Podmienka kapacity je splnená.

5. Kontrola indukčnosti: Lo

Podobne postupujeme pri indukčnosti.

Poľné zariadenie má:

Li

Kábel pridáva:

Lkábel

Bariéra povoľuje maximálnu vonkajšiu indukčnosť:

Lo

Kontrolujeme teda:

Li + Lkábel ≤ Lo

Príklad

Predpokladajme kábel s indukčnosťou:

0,7 µH/m

a dĺžku:

300 m

Potom:

Lkábel = 0,7 µH/m × 300 m = 210 µH

teda:

0,21 mH

Ak má prevodník:

Li = 10 µH = 0,01 mH

celková hodnota bude:

0,21 + 0,01 = 0,22 mH

Ak bariéra povoľuje:

Lo = 2 mH

potom:

0,22 mH ≤ 2 mH

Z pohľadu tejto kontroly podmienka vyhovuje.

Kompletný modelový príklad

Predstavme si tlakový prevodník umiestnený v Ex zóne a galvanicky oddelenú IS bariéru v MaR rozvádzači.

Máme tieto údaje:

Použitý kábel má:

• dĺžku 300 m,
• kapacitu 100 pF/m,
• indukčnosť 0,7 µH/m.

Napätie

25,2 V ≤ 30 V

✓ Vyhovuje.

Prúd

93 mA ≤ 200 mA

✓ Vyhovuje.

Výkon

0,65 W ≤ 1 W

✓ Vyhovuje.

Kapacita

Kábel:

100 pF/m × 300 m = 30 nF

Celkom:

30 + 5 = 35 nF

Porovnanie:

35 nF ≤ 83 nF

✓ Vyhovuje.

Indukčnosť

Kábel:

0,7 µH/m × 300 m = 210 µH = 0,21 mH

Celkom:

0,21 + 0,01 = 0,22 mH

Porovnanie:

0,22 mH ≤ 2 mH

✓ Vyhovuje.

V tomto ilustračnom príklade základné porovnanie uvedených entity parametrov vyhovuje.

To však ešte neznamená, že sme automaticky dokončili celý návrh Ex slučky. Stále treba overiť certifikáciu, konkrétny typ ochrany, skupinu plynov alebo prachu, úroveň ochrany, teplotné podmienky, inštalačné požiadavky a ďalšie podmienky uvedené v dokumentácii zariadení.

Prečo sa hodnoty Co a Lo môžu meniť?

Pri čítaní Ex certifikátu si môžeme všimnúť, že bariéra nemá vždy iba jednu hodnotu Co a Lo.

Výrobca môže uvádzať rozdielne prípustné hodnoty podľa:

• skupiny plynov,
• konfigurácie obvodu,
• kombinácie kapacity a indukčnosti,
• konkrétneho výstupu zariadenia.

Preto nie je správne vytiahnuť jednu hodnotu Co alebo Lo z tabuľky bez toho, aby sme overili, pre aké podmienky platí.

Napríklad prípustné parametre pre skupinu IIC môžu byť odlišné od parametrov pre IIB alebo IIA.

Pri kontrole preto používame hodnoty zodpovedajúce konkrétnej aplikácii.

Pozor na súčasnú kapacitu a indukčnosť

Zjednodušené kontroly:

Ci + Ckábel ≤ Co

a

Li + Lkábel ≤ Lo

sú veľmi užitočné na pochopenie princípu.

Pri reálnom návrhu však treba rešpektovať presné podmienky certifikátu a návodu výrobcu.

Ak má obvod súčasne významnú kapacitu aj indukčnosť, prípustné hodnoty nemusia byť vždy jednoducho nezávislé maximá Co a Lo.

Výrobca môže uvádzať konkrétne:

• kombinácie Co/Lo,
• pomer L/R,
• tabuľky podľa skupiny plynov,
• ďalšie obmedzenia.

Preto sa finálne posúdenie nikdy nerobí iba podľa univerzálnej internetovej tabuľky.

Rozhodujúca je dokumentácia konkrétnej bariéry a konkrétneho poľného zariadenia.

Čo ak nepoznáme parametre kábla?

Ideálne je použiť údaje výrobcu konkrétneho kábla.

V datasheete hľadáme najmä:

• kapacitu na jednotku dĺžky,
• indukčnosť na jednotku dĺžky,
• prípadne L/R pomer,
• odpor vodičov.

Ak údaje nie sú dostupné, pri návrhu sa musia použiť hodnoty a postupy dovolené príslušnými normami a dokumentáciou systému.

Nie je vhodné kapacitu a indukčnosť jednoducho ignorovať.

Pri krátkej trase nemusí byť ich vplyv kritický, ale pri stovkách metrov vedenia môže práve kábel rozhodnúť o tom, či slučka vyhovuje.

Entity Parameters nie sú prevádzkové parametre

Toto rozlíšenie je veľmi dôležité.

Hodnoty:

Ui, Ii a Pi

nehovoria, pri akom napätí, prúde a výkone zariadenie normálne pracuje.

Ide o bezpečnostné limity súvisiace s iskrovo bezpečným obvodom.

Napríklad tlakový prevodník môže za normálnych okolností pracovať v slučke 4–20 mA pri napájaní približne 24 V DC, pričom jeho Ui môže byť 30 V.

Ui = 30 V neznamená:

„Prevodník treba napájať 30 V.“

Znamená to maximálny vstupný parameter relevantný pre jeho certifikovanú iskrovú bezpečnosť.

Entity Parameters vs. normálna funkčnosť slučky

Aj keď IS parametre vyhovujú, musíme ešte overiť, či bude meracia slučka normálne fungovať.

To sú dve rozdielne kontroly.

Bezpečnostná kontrola

Rieši napríklad:

• Uo vs. Ui,
• Io vs. Ii,
• Po vs. Pi,
• Co,
• Lo,
• kabeláž,
• Ex klasifikáciu.

Funkčná kontrola

Rieši napríklad:

• napájacie napätie,
• minimálne napätie prevodníka,
• úbytok napätia na bariére,
• odpor vedenia,
• záťaž slučky,
• vstup PLC/DCS,
• HART komunikáciu.

Slučka teda môže byť z pohľadu entity parametrov bezpečná, ale z dôvodu nedostatočnej napäťovej rezervy nemusí správne pracovať.

A platí aj opačne:

to, že signál 4–20 mA funguje, ešte neznamená, že slučka spĺňa požiadavky iskrovej bezpečnosti.

A čo HART?

Pri inteligentných prevodníkoch sa často používa kombinácia:

4–20 mA + HART

Entity Parameters riešia bezpečnostnú kompatibilitu iskrovo bezpečného obvodu.

Samy o sebe však nehovoria, či bariéra dokáže správne prenášať HART komunikáciu.

Ak HART potrebujeme, musíme samostatne overiť:

• HART transparentnosť bariéry,
• impedančné podmienky slučky,
• konfiguráciu systému,
• možnosti konkrétneho zariadenia.

Preto môže slučka vyhovovať z pohľadu Ui, Ii, Pi, Ci a Li, ale nevhodne zvolená bariéra môže napriek tomu znemožniť požadovanú digitálnu komunikáciu.

A čo Zenerova bariéra a galvanický oddeľovač?

Princíp kontroly kompatibility iskrovo bezpečného výstupu a poľného zariadenia sa netýka iba jedného konštrukčného typu bariéry.

Pri konkrétnom riešení vždy pracujeme s certifikovanými parametrami daného rozhrania.

Rozdiel medzi Zenerovou bariérou a galvanickým oddeľovačom spočíva predovšetkým v konštrukcii, galvanickom oddelení a požiadavkách na uzemnenie.

Tejto problematike sa podrobne venujeme v článku Zenerova bariéra vs. galvanický oddeľovač: aký je rozdiel a čo zvoliť do Ex prostredia?

Čo potrebujeme od zákazníka na kontrolu IS slučky?

Ak máme posúdiť konkrétnu kombináciu, ideálne potrebujeme:

Ak chýba napríklad presný model zariadenia alebo Ex certifikát, môže byť spoľahlivé posúdenie nemožné.

Najčastejšie chyby pri kontrole Entity Parameters

V praxi sa oplatí dávať pozor najmä na tieto chyby:

1. Kontrola iba Uo a Ui.
2. Ignorovanie Io a Po.
3. Nezapočítanie kapacity kábla.
4. Nezapočítanie indukčnosti kábla.
5. Použitie Co a Lo pre nesprávnu skupinu plynov.
6. Predpoklad, že maximálne Co a Lo možno vždy použiť súčasne.
7. Zámena Ui s normálnym napájacím napätím zariadenia.
8. Zámena Io s procesným prúdom 4–20 mA.
9. Použitie údajov z bežného datasheetu namiesto príslušnej Ex dokumentácie.
10. Kontrola iba zariadení bez posúdenia celej slučky.

Praktický checklist

Pri základnom posúdení môžeme postupovať v tomto poradí:

1. Identifikovať presné zariadenia

Máme presný typ bariéry aj poľného zariadenia?

2. Otvoriť Ex dokumentáciu

Nie iba bežný produktový datasheet.

3. Overiť Ex klasifikáciu

Vyhovuje zariadenie konkrétnej aplikácii?

4. Porovnať napätie

Uo ≤ Ui

5. Porovnať prúd

Io ≤ Ii

6. Porovnať výkon

Po ≤ Pi

7. Vypočítať kapacitu vedenia

A pripočítať ju k Ci.

8. Vypočítať indukčnosť vedenia

A pripočítať ju k Li.

9. Overiť Co a Lo

Podľa správnej skupiny a podmienok certifikácie.

10. Skontrolovať funkčnosť slučky

Napätie, záťaž, 4–20 mA, HART a pripojenie k PLC/DCS.

Až potom máme podstatne lepší obraz o tom, či je navrhovaná kombinácia vhodná.

Zapamätajte si

• Pri iskrovej bezpečnosti sa neposudzuje iba snímač alebo iba bariéra, ale celá IS slučka.
• Uo musí byť menšie alebo rovné Ui.
• Io musí byť menšie alebo rovné Ii.
• Po musí byť menšie alebo rovné Pi.
• Pri kapacite musíme zohľadniť Ci aj kapacitu kábla.
• Pri indukčnosti musíme zohľadniť Li aj indukčnosť kábla.
• Hodnoty Co a Lo môžu závisieť od skupiny plynov a ďalších podmienok.
• Entity Parameters nie sú to isté ako normálne prevádzkové parametre zariadenia.
• Bezpečnostná kompatibilita ešte automaticky nezaručuje správnu funkciu 4–20 mA slučky.
• Rozhodujúca je vždy Ex dokumentácia konkrétnych zariadení a podmienky ich certifikácie.

Záver

Skratky Ui, Ii, Pi, Ci a Li môžu na prvý pohľad pôsobiť komplikovane. Ich základný princíp je však logický.

IS bariéra predstavuje zdroj, ktorý môže do iskrovo bezpečného obvodu dodať určitú maximálnu energiu. Poľné zariadenie má stanovené limity, ktoré môže bezpečne prijať.

Projektant musí overiť, že výstupné parametre zdroja neprekročia prípustné vstupné parametre zariadenia a že do limitov kapacity a indukčnosti sa zmestí aj použitá kabeláž.

Pri reálnej aplikácii však týmto posúdenie nekončí. Treba rešpektovať konkrétne Ex certifikáty, klasifikáciu prostredia, skupinu plynov alebo prachu, podmienky výrobcu a funkčné požiadavky celej meracej slučky.

V REFLOW SK dodávame iskrovo bezpečné bariéry a galvanické oddeľovače G.M. International a vieme pomôcť aj s výberom vhodného rozhrania ku konkrétnemu prevodníku a signálu. Pri posúdení konkrétnej aplikácie pracujeme s technickou a Ex dokumentáciou zariadení.