Zenerova bariéra vs. galvanický oddeľovač: aký je rozdiel a čo zvoliť do Ex prostredia?

Pri prenose signálov medzi zariadeniami umiestnenými v prostredí s nebezpečenstvom výbuchu a riadiacim systémom v bezpečnom priestore je potrebné zabezpečiť, aby sa do nebezpečnej zóny nemohlo dostať dostatočné množstvo elektrickej energie na iniciáciu výbušnej atmosféry.

Jedným zo spôsobov ochrany je iskrová bezpečnosť Ex i.

V praxi sa pri návrhu iskrovo bezpečných obvodov stretávame najmä s dvoma riešeniami:

• Zenerovými bariérami,
• galvanicky oddelenými iskrovo bezpečnými oddeľovačmi.

Obe zariadenia môžu zabezpečovať obmedzenie energie smerujúcej do Ex prostredia, ale fungujú rozdielnym spôsobom a majú odlišné požiadavky na inštaláciu.

Rozhodnutie preto nemožno založiť iba na cene alebo počte kanálov.

Prečo vôbec potrebujeme iskrovo bezpečnú bariéru?

Predstavme si bežnú meraciu slučku:

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

Za normálnych okolností pracuje slučka s relatívne nízkym napätím a prúdom. Pri poruche však môže dôjsť k situácii, keď sa do vedenia dostane vyššia energia.

V prostredí obsahujúcom horľavý plyn, paru alebo prach môže byť za určitých podmienok aj elektrická iskra alebo tepelný účinok potenciálnym zdrojom iniciácie.

Princíp ochrany Ex i – intrinsic safety preto spočíva v obmedzení elektrickej energie v obvode na úroveň, pri ktorej za definovaných podmienok nedôjde k iniciácii príslušnej výbušnej atmosféry.

Medzi bezpečným a nebezpečným priestorom sa preto používa vhodné rozhranie.

A práve tu prichádza rozdiel medzi Zenerovou bariérou a galvanickým oddeľovačom.

Ako funguje Zenerova bariéra?

Zenerova bariéra predstavuje relatívne jednoduchý spôsob obmedzenia energie.

Typicky využíva kombináciu:

• Zenerových diód na obmedzenie napätia,
• rezistorov na obmedzenie prúdu,
• poistky.

Pri normálnej prevádzke umožňuje prenos signálu medzi bezpečným a Ex obvodom.

Ak sa na bezpečnej strane objaví neprípustne vysoké napätie, Zenerove diódy ho obmedzia a prebytočná energia sa odvedie cez bezpečné uzemnenie.

Poistka zároveň pomáha zabrániť dlhodobému pôsobeniu nadmerného prúdu.

Základnou vlastnosťou klasickej Zenerovej bariéry je teda skutočnosť, že pri ochrane sa spolieha na kvalitné a spoľahlivé uzemnenie.

Prečo je pri Zenerovej bariére také dôležité uzemnenie?

Toto je jeden z najväčších praktických rozdielov medzi oboma riešeniami.

Zenerova bariéra potrebuje bezpečnú cestu, ktorou môže pri poruche odviesť energiu.

Preto musí byť jej uzemnenie navrhnuté a realizované podľa požiadaviek príslušného systému ochrany a platných technických pravidiel.

Nevhodné uzemnenie môže negatívne ovplyvniť ochrannú funkciu bariéry.

Pri návrhu preto nestačí:

„Namontujeme bariéru do rozvádzača.“

Treba riešiť aj:

• spôsob uzemnenia,
• kvalitu spojenia,
• vedenie ochranných vodičov,
• pospájanie,
• požiadavky konkrétnej inštalácie.

Práve táto požiadavka môže v niektorých prevádzkach predstavovať nevýhodu Zenerových bariér.

Ako funguje galvanický oddeľovač?

Galvanický oddeľovač – často označovaný aj ako galvanický izolátor alebo galvanicky oddelená IS bariéra – pristupuje k problému inak.

Medzi obvodom na strane Ex zariadenia a bezpečnou stranou vytvára galvanické oddelenie.

To znamená, že medzi vstupným a výstupným obvodom neexistuje priame vodivé elektrické spojenie určené na prenos signálu.

Prenos signálu môže byť v zariadení realizovaný napríklad prostredníctvom:

• transformátorového oddelenia,
• optického oddelenia,
• kapacitného oddelenia,
• ďalších izolačných technológií.

Konkrétne riešenie závisí od konštrukcie výrobcu.

Zariadenie zároveň obmedzuje energiu, ktorá môže byť dodaná do iskrovo bezpečného obvodu.

Galvanické oddelenie nie je iba Ex ochrana

Galvanické oddelenie prináša aj ďalšiu praktickú výhodu.

Oddeľuje elektrické potenciály medzi jednotlivými časťami systému.

To môže pomôcť obmedziť problémy spôsobené napríklad:

• rozdielmi zemných potenciálov,
• zemnými slučkami,
• určitými typmi rušenia,
• nechcenými vyrovnávacími prúdmi.

Preto sa galvanické oddeľovače používajú aj mimo Ex aplikácií ako signálové izolátory.

Pri iskrovo bezpečných aplikáciách však musí ísť o zariadenie s príslušným schválením a parametrami pre danú Ex aplikáciu.

Hlavný rozdiel medzi Zenerovou bariérou a galvanickým oddeľovačom

Zjednodušene:

Zenerova bariéra obmedzuje energiu a pri ochrane sa spolieha na definované uzemnenie.

Galvanický oddeľovač okrem obmedzenia energie elektricky oddeľuje jednotlivé strany obvodu.

Z toho vyplývajú viaceré praktické rozdiely.

Konkrétne vlastnosti však vždy závisia od konkrétneho modelu zariadenia.

Je Zenerova bariéra horšie riešenie?

Nie.

Zenerova bariéra nie je „zastaraný galvanický oddeľovač“.

Ide o odlišný technický koncept, ktorý môže byť pri správne navrhnutej aplikácii úplne vhodným riešením.

Výhodou môže byť:

• jednoduchá konštrukcia,
• kompaktné vyhotovenie,
• nižšia obstarávacia cena,
• jednoduchý princíp,
• vysoká hustota kanálov pri niektorých systémoch.

Ak má prevádzka správne vyriešené uzemnenie a konkrétna slučka nevyžaduje galvanické oddelenie alebo ďalšie funkcie, môže byť Zenerova bariéra technicky aj ekonomicky vhodná.

Kedy dáva väčší zmysel galvanický oddeľovač?

Galvanicky oddelené IS rozhranie môže byť výhodné najmä tam, kde:

• nechceme byť závislí od špecifického IS uzemnenia Zenerovej bariéry,
• existuje riziko rozdielnych zemných potenciálov,
• potrebujeme oddeliť poľnú a riadiacu stranu,
• potrebujeme napájať 2-vodičový prevodník,
• chceme zachovať HART komunikáciu,
• potrebujeme konverziu alebo rozdelenie signálu,
• požadujeme diagnostiku,
• riešime aplikáciu s požiadavkou na funkčnú bezpečnosť SIL.

Moderné galvanické oddeľovače preto nie sú iba ochranným prvkom.

Môžu zároveň zabezpečovať napájanie, oddelenie, konverziu a spracovanie signálu.

Ako to vyzerá pri signále 4–20 mA?

Typickou aplikáciou je 2-vodičový tlakový prevodník umiestnený v Ex zóne.

Slučka môže vyzerať napríklad:

Ex tlakový prevodník → IS galvanický oddeľovač → PLC/DCS

Galvanický oddeľovač môže:

1. zabezpečiť napájanie poľného prevodníka,
2. prijať jeho signál 4–20 mA,
3. obmedziť energiu smerujúcu do Ex zóny,
4. galvanicky oddeliť poľnú stranu,
5. preniesť zodpovedajúci signál do riadiaceho systému.

Pri vhodnom zariadení môže byť cez bariéru transparentne prenášaná aj HART komunikácia.

To však treba overiť v datasheete konkrétneho modelu.

Pozor na napäťový úbytok

Pri Zenerových bariérach je veľmi dôležité skontrolovať dostupné napätie v celej prúdovej slučke.

Každý prvok predstavuje určitý elektrický odpor alebo úbytok napätia.

Do výpočtu môže vstupovať:

• napájacie napätie,
• bariéra,
• odpor kábla,
• vstupná impedancia riadiaceho systému,
• minimálne napätie potrebné pre prevodník.

Ak po odpočítaní všetkých úbytkov nezostane prevodníku dostatočné napätie, slučka nemusí pracovať správne v celom rozsahu 4–20 mA.

Preto nestačí skontrolovať iba:

„Je bariéra certifikovaná pre Ex?“

Musí byť zároveň elektricky kompatibilná s celou meracou slučkou.

Čo HART komunikácia?

Pri inteligentných prevodníkoch je častou požiadavkou komunikácia HART.

HART prenáša digitálnu komunikáciu superponovanú na analógovom signále 4–20 mA.

Nie každé rozhranie však musí byť automaticky vhodné na jej prenos.

Pri výbere preto treba overiť, či výrobca deklaruje:

• HART transparentnosť,
• vhodné impedančné podmienky,
• podporu požadovaného spôsobu komunikácie.

Ak má byť HART využívaný na konfiguráciu alebo diagnostiku zariadenia, treba túto požiadavku riešiť už pri návrhu bariéry.

A čo SIL?

Tu sa často zamieňajú dva rozdielne pojmy.

Ex ochrana a SIL nie sú to isté.

Iskrová bezpečnosť rieši riziko iniciácie výbušnej atmosféry elektrickým obvodom.

SIL súvisí s funkčnou bezpečnosťou bezpečnostnej funkcie.

Ak je signál súčasťou Safety Instrumented Function, musí projektant posudzovať aj vlastnosti jednotlivých prvkov bezpečnostnej slučky.

Pri výbere galvanického oddeľovača preto môže byť potrebné overiť:

• SIL capability,
• bezpečnostné parametre,
• failure rates,
• diagnostické pokrytie,
• Safety Manual,
• požiadavky konkrétnej SIF.

To, že je zariadenie certifikované pre Ex aplikáciu, automaticky neznamená, že spĺňa všetky požiadavky konkrétnej SIL slučky.

Certifikát bariéry nestačí – treba posúdiť celú IS slučku

Toto je pri návrhu iskrovej bezpečnosti zásadné.

Nestačí vybrať bariéru s označením Ex.

Treba overiť kompatibilitu medzi bariérou a poľným zariadením.

Pri takzvanom entity concept sa porovnávajú bezpečnostné parametre jednotlivých zariadení.

Na strane bariéry sa môžeme stretnúť napríklad s:

• 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 napríklad s:

• Ui,
• Ii,
• Pi,
• Ci,
• Li.

Do posúdenia vstupuje aj kapacita a indukčnosť vedenia.

Práve tejto problematike sa budeme podrobnejšie venovať v samostatnom článku o parametroch Ui, Ii, Pi, Ci a Li.

Bariéra musí zodpovedať aj typu signálu

Pri výbere nestačí povedať:

„Potrebujem dvojkanálovú IS bariéru.“

Najskôr musíme vedieť, čo cez ňu pripájame.

Môže ísť napríklad o:

• 2-vodičový prevodník 4–20 mA,
• aktívny prúdový signál,
• binárny kontakt,
• NAMUR snímač,
• solenoidový ventil,
• termočlánok,
• odporový snímač Pt100,
• frekvenčný signál.

Každá aplikácia má odlišné elektrické požiadavky.

Preto sa galvanické oddeľovače vyrábajú v mnohých variantoch podľa typu vstupného a výstupného signálu.

Kde sa bariéra montuje?

IS bariéry a galvanické oddeľovače sa často montujú na DIN lištu v rozvádzači umiestnenom v bezpečnom priestore alebo v inom priestore dovolenom konkrétnou certifikáciou a návrhom.

Dôležité je správne oddeliť:

• iskrovo bezpečné obvody,
• neiskrovo bezpečné obvody.

Treba dodržať požiadavky na:

• vedenie kabeláže,
• svorky,
• odstupy,
• označenie,
• uzemnenie,
• dokumentáciu.

Samotná správne vybraná bariéra totiž nedokáže napraviť nesprávne navrhnutú alebo zrealizovanú inštaláciu.

Zenerova bariéra alebo galvanický oddeľovač?

Neexistuje univerzálna odpoveď.

Výber závisí od konkrétnej aplikácie.

Zenerova bariéra môže byť vhodná, ak:

• máme kvalitne navrhnutý systém uzemnenia,
• nepotrebujeme galvanické oddelenie,
• ide o jednoduchú signálovú slučku,
• dôležitým kritériom je cena a priestor.

Galvanický oddeľovač môže byť vhodnejší, ak:

• požadujeme galvanické oddelenie,
• chceme minimalizovať problémy so zemnými slučkami,
• potrebujeme napájanie poľného prevodníka,
• potrebujeme HART,
• potrebujeme konverziu signálu,
• požadujeme diagnostické funkcie,
• ide o komplexnejšiu priemyselnú aplikáciu.

Rozhodujúce však musí byť vždy technické posúdenie celej slučky.

Najčastejšie chyby pri výbere IS bariéry

V praxi sa oplatí vyhnúť najmä týmto chybám:

1. Výber bariéry iba podľa ceny.
2. Predpoklad, že každá Ex bariéra je vhodná pre každý Ex snímač.
3. Ignorovanie požiadaviek na uzemnenie Zenerovej bariéry.
4. Nekontrolovanie dostupného napätia v slučke.
5. Zámena aktívneho a pasívneho signálu 4–20 mA.
6. Zabudnutie na požiadavku HART komunikácie.
7. Ignorovanie SIL požiadaviek bezpečnostnej slučky.
8. Nekontrolovanie entity parametrov.
9. Nezohľadnenie kapacity a indukčnosti kábla.
10. Nesprávne oddelenie IS a non-IS kabeláže v rozvádzači.

Zapamätajte si

• Zenerova bariéra a galvanický oddeľovač nie sú rovnaké zariadenia.
• Obe riešenia možno použiť na ochranu iskrovo bezpečných obvodov, ak sú správne navrhnuté a certifikované.
• Zenerova bariéra je závislá od správneho systému uzemnenia.
• Galvanický oddeľovač elektricky oddeľuje poľnú a riadiacu stranu.
• Galvanické oddelenie môže pomôcť eliminovať zemné slučky.
• Pri 4–20 mA treba kontrolovať napäťovú bilanciu celej slučky.
• HART podporu treba overiť pre konkrétny model.
• Ex certifikácia automaticky neznamená splnenie SIL požiadaviek.
• Pri iskrovej bezpečnosti sa posudzuje celá slučka vrátane poľného zariadenia a kabeláže.

Záver

Zenerova bariéra aj galvanický oddeľovač môžu byť správnym riešením pre prenos signálu z prostredia s nebezpečenstvom výbuchu. Rozdiel je predovšetkým v spôsobe, akým zabezpečujú ochranu a elektrické oddelenie jednotlivých častí systému.

Zenerova bariéra predstavuje jednoduchšie riešenie, ktoré však kladie významné požiadavky na správne uzemnenie.

Galvanický oddeľovač pridáva galvanické oddelenie a podľa konkrétneho zariadenia aj ďalšie funkcie – napájanie prevodníka, konverziu signálu, HART transparentnosť alebo diagnostiku.

Pri výbere preto nestačí pozerať iba na označenie Ex.

Potrebujeme poznať typ signálu, poľné zariadenie, napájanie, parametre iskrovej bezpečnosti, kabeláž, požiadavky na HART a prípadne SIL.

V REFLOW SK dodávame riešenia pre iskrovo bezpečné obvody vrátane galvanických oddeľovačov a bezpečnostných rozhraní G.M. International. Pri návrhu vieme pomôcť s výberom vhodného zariadenia podľa konkrétneho signálu, Ex aplikácie a požiadaviek riadiaceho systému.