W miejscach, w których instalacje i urządzenia elektryczne mogą oddziaływać na łatwopalne lub wybuchowe gazy i opary, ważne jest, aby przy ocenie bezpieczeństwa funkcjonalnego rozważyć parametry techniczne zastosowanych czujników, mówiące o możliwości ich pracy w takich lokalizacjach.
Znaczna część urządzeń przemysłowych jest umieszczana w strefach zagrożonych wybuchem lub wykorzystywana w aplikacjach wymagających oceny bezpieczeństwa funkcjonalnego. Strefy zagrożone wybuchem to miejsca, w których istnieje ryzyko narażenia na kontakt z substancjami łatwopalnymi lub nawet wybuchowymi. W takich okolicznościach zapewnienie nieprzerwanego działania sprzętu może się okazać wyzwaniem. A zatem sprawą zasadniczą jest, aby elementy i podzespoły sprzętu przeznaczonego do pracy w strefach niebezpiecznych zostały zaprojektowane i wyprodukowane w sposób odpowiedni do działania w tych środowiskach.
Aplikacje bezpieczeństwa funkcjonalnego to takie, w których musi być zapewnione bezpieczne działanie sprzętu ze względu na ryzyko jego uszkodzenia lub zranienia personelu. W wielu aplikacjach w tym względzie z pomocą przychodzą czujniki położenia liniowego, powszechnie wykorzystywane w systemach przemysłowych. W wielu wypadkach należy wziąć pod uwagę możliwość wystąpienia zdarzeń niebezpiecznych (ocena i analiza ryzyka), w przeciwnym razie konsekwencje mogą być poważne – w postaci ciężkich uszkodzeń drogiego sprzętu lub nawet zagrożenia życia personelu.
W strefach zagrożonych wybuchem obecność łatwopalnych gazów, oparów, płynów czy pyłów może stanowić główne zagrożenie dla działania urządzeń elektrycznych, ponieważ istnieje ryzyko, że urządzenia te spowodują zapalenie się wspomnianych substancji. Dla maszyn elektrycznych, w których wykorzystano technologię wykrywania położenia, stanowiący jego część czujnik (lub czujniki) powinien mieć parametry techniczne odpowiednie do pracy w obszarach, w których jest on narażony na kontakt z substancjami łatwopalnymi.
Przed wykonaniem dogłębnej analizy ryzyka zagrożeń należy mieć świadomość, że urządzenia opisane jako przeciwwybuchowe to takie, które zostały zaprojektowane do pracy w warunkach zagrożenia wybuchem, podczas gdy produkty bezpieczeństwa funkcjonalnego zostały zaprojektowane dla aplikacji, w których istnieje zagrożenie dla sprzętu i personelu. Pomiędzy tymi dwoma parametrami niekoniecznie musi istnieć wzajemne powiązanie. Dana aplikacja może wymagać albo bezpieczeństwa funkcjonalnego, albo wersji przeciwwybuchowej, ale niekoniecznie obu razem.
Określanie stref zagrożonych wybuchem
Istnieje wiele rodzajów stref zagrożonych wybuchem. Wśród najbardziej powszechnych znajdują się: szyby naftowe, gazownie, zakłady przemysłu chemicznego i farmaceutycznego, oczyszczalnie ścieków oraz duże pralnie chemiczne, a także miejsca produkcji i przetwarzania chemikaliów przemysłowych, magazynowania pyłów (takich jak magnezowy czy aluminiowy) oraz wytwarzania produktów aktywnych chemicznie (takich jak nawozy).
Przepisy nakazują, aby każde urządzenie elektryczne, które zostanie zainstalowane w otoczeniu zagrożonym pożarem lub wybuchem, miało parametry zgodne z wymaganiami norm. Najważniejsze są normy Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej IECEx (ang. International Electrotechnical Commission) oraz dyrektywy Unii Europejskiej ATEX (fr. Atmosphères Explosibles): 1999/92/WE (Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 16 grudnia 1999 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i ochrony zdrowia pracowników zatrudnionych na stanowiskach pracy, na których może wystąpić atmosfera wybuchowa – przyp. red.), a także 94/9/WE (Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 marca 1994 r. w sprawie zbliżenia ustawodawstw Państw Członkowskich dotyczących urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem – przyp. red.).
Oznaczenia urządzeń przeznaczonych do pracy w strefach zagrożonych wybuchem dzieli się na klasę i grupę (ang. class and division – wg NEC – przyp. tłum.), które podają typ zagrożenia (wg dyrektywy ATEX są to: grupa wybuchowości, kategoria urządzenia, rodzaj ochrony przeciwwybuchowej i podgrupa wybuchowości – przyp. tłum.). Mogą one wynikać zarówno z niepożądanej obecności substancji wybuchowej, jak i stałej jej obecności.
Stosuje się różne metodologie zabezpieczeń przed wybuchem, aby uzyskać niezbędne oznaczenia i aprobaty. Zabezpieczenia te zależą od typu, warunków i otoczenia pracy danego urządzenia.
Norma PN-EN IEC 61508 – bezpieczeństwo funkcjonalne
Koncepcja bezpieczeństwa funkcjonalnego polega na tym, że po wykryciu potencjalnie niebezpiecznej sytuacji mogą być podjęte działania mające na celu uniknięcie wystąpienia niebezpiecznych zdarzeń lub zapewnienie, że gdy one wystąpią, ich skutki zostaną złagodzone do akceptowalnego poziomu, tak że życie i zdrowie pracowników nie zostanie narażone oraz nie nastąpi uszkodzenie cennych elementów wyposażenia.
Norma PN-EN IEC 61508 dostarcza standardowych metod oceny działania funkcji bezpieczeństwa na wymaganym poziomie, w tym trybów odnoszących się do uszkodzeń. Stosowanie się do normy PN-EN IEC 61508 pozwala na zmniejszenie ryzyka uszkodzenia ze strony poszczególnych zagrożeń za pomocą funkcji bezpieczeństwa, które umożliwiają ich wykrywanie. Dodatkowo norma ta pozwala na oszacowanie prawdopodobieństwa wystąpienia uszkodzenia.
Urządzenia elektryczne dzieli się na kategorie, według określonego poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa (ang. Safety Integrity Level – SIL), który odnosi się do prawdopodobieństwa wystąpienia uszkodzenia. W urządzeniu mającym poziom SIL 1 prawdopodobieństwo uszkodzenia wynosi od 0,01 do 0,1 dla pracy na rzadkie przywołanie (ang. low-demand operation), co przekłada się na prawdopodobieństwo uszkodzenia mniejsze od 0,00001/godz. dla pracy na częste przywołanie (ang. high-demand operation).
W urządzeniu o poziomie SIL 2 prawdopodobieństwo uszkodzenia wynosi od 0,001 do 0,01 dla pracy na rzadkie przywołanie, co jest równe prawdopodobieństwu uszkodzenia w granicach 0,000001/godz. dla pracy na częste przywołanie. Uszkodzenia są klasyfikowane jako bezpieczne lub niebezpieczne i mogą być wykryte lub niewykryte. Parametr SFF (ang. Safe Failure Fraction) – składnik współczynnika częstości uszkodzeń urządzenia definiuje współczynnik uszkodzeń, które są albo bezpieczne, albo wykrywalne, w odniesieniu do całkowitej liczby uszkodzeń. Na jego podstawie możliwe jest wyznaczenie prawdopodobieństwa wystąpienia niebezpiecznych i niewykrywalnych uszkodzeń.
Nawet w najlepszym przypadku, przy najwyższym poziomie niezawodności infrastruktury, uszkodzenie sprzętu i/lub oprzyrządowania doprowadzi do przestoju w pracy. A to zmniejsza wydajność produkcji i wymaga poniesienia kosztów napraw oraz wymiany uszkodzonych części.
Za pomocą analizy bezpieczeństwa funkcjonalnego możliwe jest ilościowe określenie prawdopodobieństwa wystąpienia niebezpiecznego zdarzenia oraz jego konsekwencji. Przy projektowaniu systemów przemysłowych, które będą usytuowane w strefach zagrożonych wybuchem, inżynierowie powinni uwzględnić aspekty bezpieczeństwa funkcjonalnego. Nie można tego odkładać na ostatnią chwilę – powinno to być najważniejszą kwestią do rozważania w całym cyklu projektowania.
Główne metody zabezpieczeń
Jest wiele metod, które można wykorzystać do złagodzenia skutków oddziaływania niebezpiecznego środowiska. Mogą zostać zainstalowane osłony urządzeń, aby zapewnić podstawową ochronę. Przy projektowaniu systemu bierze się pod uwagę potrzebę utrzymywania delikatnych komponentów z dala od miejsc, w których warunki otoczenia są najcięższe. Redundancja systemu stanowi bardzo dużą wartość dodaną systemów sterowania i zasilania, ponieważ gdy wystąpi awaria, wymagana funkcja może dalej być realizowana.
Gdy istnieje stałe zagrożenie ze strony substancji wybuchowych, niezbędnym może się okazać umieszczenie wyposażenia elektrycznego/elektronicznego w obudowach przeciwwybuchowych. W ten sposób, w razie awarii dojdzie najwyżej do eksplozji wewnątrz obudowy, co nie wpłynie na otoczenie zewnętrzne.
Wykrywanie położenia w strefach zagrożonych wybuchem
Czujniki położenia są wdrażane w wielu aplikacjach, aby dostarczyć sygnał zwrotny z informacją o pozycji maszyn lub ich elementów. Takie pomiary często muszą być realizowane w urządzeniach pracujących również w strefach zagrożonych wybuchem. Przykładami są turbiny gazowe i parowe w elektrowniach, aparatura wiertnicza w szybach naftowych i gazowych, prasy stalowe i drewniane, sprzęt na stacjach paliw.
Do realizacji pomiarów położenia w strefach zagrożonych wybuchem mogą być wykorzystywane różne mechanizmy wykrywające położenie, m.in.:
-> potencjometry – działają jak dzielniki napięcia, a pomiar położenia jest realizowany na podstawie sygnału napięciowego, który jest proporcjonalny do długości przesunięcia ślizgacza na liniowej ścieżce oporowej. Ta metoda była bardzo popularna w przeszłości, jednak ma braki funkcjonalne, które są coraz bardziej widoczne w nowoczesnych aplikacjach. Najważniejszą z tych wad jest podatność na zużycie mechaniczne i rozdarcie. Spowodowane jest to mechanicznym stykiem pomiędzy ścieżką oporową a ślizgaczem;
-> enkodery – wykorzystują głowicę odczytującą, która skanuje skalę z podziałką i w ten sposób odczytuje stopniowe zmiany położenia. Długotrwałe działanie tego rodzaju mechanizmu może spowodować jego uszkodzenie, szczególnie w obszarach występowania drgań i wysokich temperatur. Ponadto obecność w otoczeniu olejów, smarów i innych substancji często występujących w przemyśle ciężkim powoduje, że enkodery wymagają regularnego czyszczenia i konserwacji;
-> transformatorowe czujniki przemieszczeń liniowych o układzie różnicowym z przesuwanym rdzeniem (ang. Linear Variable Differential Transformer – LVDT) – zasada ich działania polega na zmianach stopnia sprzężenia magnetycznego pomiędzy uzwojeniem pierwotnym a wtórnym na skutek przemieszczeń rdzenia ferromagnetycznego. Dzięki możliwości pracy w wysokich temperaturach urządzenia te stały się dość popularne w aplikacjach w strefach zagrożonych wybuchem. Jednak mają one słabą liniowość. Dodatkowo wymagają też okresowej kalibracji;
-> czujniki magnetostrykcyjne do pomiaru przemieszczeń liniowych – wykorzystują zjawisko magnetostrykcji – powstawania zmian własności fizycznych ferromagnetyków pod wpływem pola magnetycznego. Czujniki magnetostrykcyjne okazały się bardzo skuteczne, dając bardzo dokładne pomiary położenia w aplikacjach w obszarach zagrożonych wybuchem. Ponieważ urządzenia te dają bezwzględny sygnał położenia, nie wymagają ponownej kalibracji. Dodatkowo – ponieważ nie wymagają głowic odczytujących – czas i koszty konserwacji nie odgrywają tu większej roli. Warto także wspomnieć, że mają one zarówno znacznie większą odporność na wstrząsy i drgania, jak i wysoką odporność na interferencje elektromagnetyczne w porównaniu z innymi czujnikami pomiarowymi. Ponadto w urządzeniach tych stosunkowo proste jest zintegrowanie mechanizmów bezpieczeństwa funkcjonalnego.
Magnetostrykcja i czujniki magnetostrykcyjne
Gdy materiał ferromagnetyczny zostanie umieszczony w polu magnetycznym, spowoduje to powstanie mikroskopijnych zmian w jego strukturze. W efekcie wymiary ferromagnetyka zostaną zmienione – zjawisko to jest określane mianem magnetostrykcji. Wielkość tych zmian wymiarów bezpośrednio koreluje z natężeniem przyłożonego pola magnetycznego. Zjawisko to stanowi bardzo skuteczną metodę bezstykowego wykrywania położenia. Ponieważ czujniki magnetostrykcyjne nie zawierają żadnych części ruchomych, mają większą niezawodność i dłuższy czas eksploatacji.
Rosnąca potrzeba bezpieczeństwa funkcjonalnego w obszarach zagrożonych wybuchem powoduje stałe odchodzenie od tradycyjnych czujników LVDT w kierunku bardziej złożonego podejścia, opartego na wykorzystaniu zjawiska magnetostrykcji. Poza wadami działania i krótszym czasem eksploatacji, czujniki LVDT oraz inne opisane wcześniej czujniki położenia nie są w stanie zaoferować tego samego stopnia bezpieczeństwa funkcjonalnego co czujniki magnetostrykcyjne.
Odpowiedni dobór czujników jest sprawą zasadniczą we wdrażaniu systemu wykrywania położenia. Istnieje wiele różnych czynników, które muszą być poważnie przemyślane przy wyborze odpowiedniego urządzenia. Warto zatem poświęcić czas na kontakt z producentem czujników, który oferuje bogaty wybór wyrobów i bardzo dobrze rozumie kwestie bezpieczeństwa funkcjonalnego.
Autor: Matt Hankinson jest zatrudniony jako Business Intelligence Manager w firmie MTS Sensors.
Tekst pochodzi ze specjalnego wydania “Bezpieczeństwo 2017“. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
