Protezione Ex grazie alla sicurezza intrinseca

Sviluppo delle soluzioni a sicurezza intrinseca

L'impiego dei primi dispositivi di campo a sicurezza intrinseca e delle relative barriere di sicurezza risale a oltre cinquant'anni fa. Nel corso del tempo, questa tecnologia si è trasformata, ma ancora oggi vengono impiegati segnali tipici come quelli analogici da 4...20 mA. Negli anni si è avuta una costante crescita della gamma e della diversificazione delle applicazioni. Attualmente il modo di protezione a sicurezza intrinseca (Ex i) è molto diffuso.

Da anni vengono impiegate versioni di bus di campo a sicurezza intrinseca di Profibus DP e Modbus RTU, soprattutto per la messa in rete di dispositivi I/O in remoto, terminali di comando e apparecchiature di analisi. Le installazioni di bus di campo Ex i con PROFIBUS PA o Foundation Fieldbus H1 vengono comunemente utilizzate anche per la comunicazione digitale fino al dispositivo di campo. Lo sviluppo non si è fermato neanche di fronte alla tecnologia radio; in questo ambito la sicurezza intrinseca rende flessibile l'utilizzo delle antenne. Al momento si punta a sviluppare soluzioni a sicurezza intrinseca per l'Industrial Ethernet. I relativi standard per la comunicazione IP a sicurezza intrinseca e ad alta interoperabilità vengono attualmente sviluppati da due gruppi di lavoro sulla base della tecnologia 10BASE-T1L e/o 100BASE-TX-IS.

Utilizzo semplice durante il funzionamento

La protezione della sicurezza intrinseca si basa sul principio di limitare la quantità di energia presente in un circuito a un valore tale da non essere pericolosa né esplosiva, in quanto gli eventuali effetti termici o le scintille non rappresentano più una fonte d'innesco. Questo modo di protezione riguarda sempre la combinazione di sorgente di corrente/tensione, cavo e utenza che generalmente è presente nelle aree a rischio di esplosione. Proprio per questo si raggiunge un livello di sicurezza molto alto che, nella versione idonea, può consentire l'impiego anche in aree ad alto rischio di esplosione della zona 0. Un ulteriore vantaggio del modo di protezione a sicurezza intrinseca è rappresentato dal fatto che non richiede alcun inserimento in custodie speciali come richiesto, ad esempio, dal modo di protezione Ex d o Ex p. Tuttavia le custodie devono essere conformi ai requisiti ambientali cosa che di fatto corrisponde alle prerogative del modo di protezione Ex e. In genere, per i circuiti elettrici a sicurezza intrinseca possono essere utilizzati passacavi e connettori a innesto industriali, cosa che rappresenta un grande vantaggio, ad esempio, per l'utilizzo di Ethernet o segnali radio.

Inoltre, risultano particolarmente agevoli l'impiego e la movimentazione di apparecchi Ex i durante il funzionamento. Gli ampliamenti e le riparazioni possono essere eseguiti nelle aree esposte a rischio di esplosione anche sotto tensione (hot work). Inoltre, è possibile inserire o scollegare gli apparecchi senza spegnere completamente o parzialmente gli impianti (hot swap). Questa caratteristica è molto vantaggiosa, quando occorre cercare un'anomalia o sostituire gli apparecchi.

Principi fondamentali della sicurezza intrinseca

Per i circuiti elettrici a sicurezza intrinseca valgono i requisiti delle norme EN IEC 60079-11 e 60079-25 per la protezione delle apparecchiature, nonché per l'installazione e il controllo delle apparecchiature elettriche a sicurezza intrinseca. I suddetti valori massimi consentiti per il mantenimento della sicurezza intrinseca per tensione (U) e intensità di corrente (I) sono stati determinati in via sperimentale. Vengono definiti con l'ausilio delle curve dei limiti di esplosione; per ogni gruppo di gas esiste una curva. Un circuito elettrico viene considerato a sicurezza intrinseca, se le coppie di valori di tensione e intensità di corrente si trovano al di sotto della curva del limite di esplosione determinante per l'atmosfera esplosiva. Per l'utilizzo in zona 1 o 0, il valore ammesso deve essere ridotto ulteriormente del fattore di sicurezza di 1,5. Per cui, ad esempio, un'apparecchiatura elettrica a sicurezza intrinseca alimentata con una tensione da 30 V, che deve essere impiegata in un'atmosfera esplosiva del gruppo IIC, può essere alimentata nella zona 1 con al massimo 102 mA.

Per l'impiego in zona 0, questi valori di corrente e tensione di un apparecchio con circuiti elettrici a sicurezza intrinseca devono essere mantenuti anche quando si verificano due guasti. I circuiti elettrici per la zona 1 devono compensare un unico guasto. Nella zona 2 è sufficiente che vengano mantenuti questi valori nel funzionamento normale.

La marcatura Ex i viene integrata con la lettera a, b o c in base all'area di applicazione stabilita (zona 0, 1 o 2). La stessa integrazione specifica anche il livello di protezione dell'apparecchio (Equipment Protection Level – EPL) per il componente elettrico autorizzato all'uso in zona 0, 1 o 2. L'EPL designato con Ga, Gb o Gc viene indicato nell'attestato di esame CE del tipo e sulla targhetta dell'apparecchio.

Scelta degli apparecchi

In fase di progettazione, la scelta degli apparecchi viene fatta in base alla suddivisione in zone e alle caratteristiche previste per l'atmosfera a rischio di esplosione (classe di temperatura, gruppo di esplosione). Ciò non si differenzia molto dalla procedura che prevede l'impiego di componenti elettrici basati su altri modi di protezione. Tuttavia una particolarità è rappresenta dal fatto che, con un collegamento elettrico tra un dispositivo di campo a sicurezza intrinseca e il sistema di automazione, generalmente è necessario un dispositivo che separi galvanicamente il circuito elettrico a sicurezza intrinsea dal circuito elettrico "normale". Ciò significa che occorre adattare un dispositivo all'altro.

Certificato di sicurezza intrinseca

Ai sensi della norma DIN EN 60079-14, prima della messa in funzione di un circuito elettrico a sicurezza intrinseca, occorre comprovare la sicurezza intrinseca, per assicurare che la sorgente, i cavi e le utenze soddisfino i requisiti della norma anche quando sono interconnessi tra loro. Per la prova vengono presi in esame i valori di tensione, intensità di corrente e potenza, così come gli accumulatori di energia con le loro capacità e induttività. Se i valori in uscita della sorgente relativi a tensione, intensità di corrente e potenza (Uo, Io, Po) non superano i valori in entrata dell'utenza collegata (Ui, Ii, Pi) e le capacità e le induttanze dell'utenza (Ci, Li) e del cavo (Co, Lo) non superano i valori limite di Co e Lo, la sicurezza intrinseca è facilmente comprovabile.

Questa prova deve essere documentata. I valori della prova vengono indicati nelle istruzioni per l'uso dei rispettivi apparecchi. I valori dei cavi possono essere ricavati dalla scheda tecnica oppure possono essere usati valori tipici dell'utilizzo standard. I valori definitivi per il cavo vengono determinati dalla sua lunghezza.

La prova risulta più complessa per le utenze con induttanza Li e capacità Ci efficaci simultaneamente. In tali circostanze, gli utilizzatori possono ricorrere ai valori della sorgente certificati per questo caso oppure dimezzare i valori limite di Co e Lo in base alla cosiddetta regola del 50%. In determinati casi particolarmente complicati, ad esempio con circuiti elettrici alimentati da più sorgenti, occorre eseguire calcoli più dettagliati. Su richiesta, R. STAHL offre questo servizio di calcolo e fornisce agli utilizzatori un'apposita formazione sul tema della sicurezza intrinseca organizzando seminari specialistici.

Caso speciale: componenti elettrici semplici

Nel concetto di protezione della sicurezza intrinseca è possibile utilizzare determinati componenti elettrici considerati "semplici" senza attestato di esame CE del tipo. Tuttavia questa opzione richiede attenzione, poiché presuppone un'accurata valutazione personale di apparecchi e componenti, quali interruttori, LED, termocoppie o termo resistenze Pt100 ai sensi delle norme IEC EN 60079-0 e 60079-11. A seconda del tipo di costruzione, è necessario valutare fattori quali, il comportamento di riscaldamento, l'isolamento verso terra, la protezione IP, ecc., nonché documentare per iscritto il risultato della valutazione. R. STAHL supporta il settore anche in questo caso, fornendo valutazioni di conformità allo standard e valutazioni dei componenti elettrici semplici.

Varianti di installazione a sicurezza intrinseca

I principali requisiti di installazione per i circuiti elettrici a sicurezza intrinseca formulati nella norma IEC EN 60079-14 comprendono la protezione da afflusso di energia in eccesso tramite, ad esempio, l'induzione di tensioni di commutazione o altri collegamenti elettromagnetici. Pertanto, oltre alla marcatura corretta e alla posa di cavi e fili, occorre prendere in considerazione le opportune distanze di separazione tra i componenti a conduzione elettrica a sicurezza intrinseca e quelli non a sicurezza intrinseca.

Conduttori in fibra ottica a sicurezza intrinseca

Per la trasmissione di segnali digitali su lunghe distanze, il cablaggio con conduttori in fibra ottica di vetro rappresenta un'alternativa ai cavi in rame. A seconda della fibra di vetro utilizzata, con questi conduttori è possibile coprire anche distanze fino a 30 km, garantendo un'ottima trasmissione dei segnali. Per l'impiego nelle aree Ex sono disponibili svariati modi di protezione. I principi fondamentali della radiazione ottica a sicurezza intrinseca (Ex op is) sono simili a quelli della sicurezza intrinseca. Con questo modo di protezione, l'energia ottica potenzialmente divenibile incendiabile causa di innesco viene limitata a un livello non pericoloso anche in condizioni di guasto guasto. I conduttori in fibra ottica dotati di protezione Ex possono essere collegati e scollegati anche durante il funzionamento, pertanto i lavori di installazione, modifica conversione e manutenzione possono essere eseguiti facilmente e a costi ridotti.

Wireless nell'area a rischio di esplosione

In particolare nelle installazioni temporanee, la comunicazione radio rappresenta una soluzione comprovata per l'integrazione di reti esistenti e lo scambio di dati con terminali portatili. Sulla base di un'ampia gamma di sistemi di custodie e componenti, R. STAHL realizza soluzioni idonee per l'applicazione con cui è possibile predisporre velocemente i WLAN Access Point tradizionali e altri componenti di rete per l'impiego nelle aree a rischio di esplosione. Inoltre, con l' HFisolator della Serie 9730, R. STAHL propone una soluzione che trasforma il segnale radio in un segnale a sicurezza intrinseca, per utilizzare gli apparecchi dotati di trasmissione radio anche in aree Ex mediante qualsiasi antenna di tipo industriale.

Conclusione

Grazie alla facilità di utilizzo, all'altissimo livello di protezione e alle molteplici possibilità di installazione, la sicurezza intrinseca è di fatto un modo di protezione imprescindibile per l'automazione dei processi e la comunicazione dei dati nelle aree esposte a rischio di esplosione. Con le soluzioni dotate di protezione Ex i, che spaziano dagli isolatori singoli, ai sistemi I/O, fino al collegamento in rete mediante bus e comunicazione Ethernet, R. STAHL offre un ampio portafoglio di prodotti per l'intero spettro di applicazioni. Inoltre come specialisti della protezione antideflagrante progettiamo e installiamo soluzioni su misura assistendo il gestore dell'impianto nel produrre la certificazione di sicurezza intrinseca in conformità alla normativa vigente.