a evolução do conceito de segurança intrínseca em áreas

A EVOLUÇÃO DO CONCEITO DE SEGURANÇA INTRÍNSECA EM ÁREAS CLASSIFICADAS
Fabio Passos Martins (INATEL) [email protected]
Júlio Arlindo Pinto Azevedo (INATEL) [email protected]
Objetivo ‚ Este artigo descreve a evolução do conceito de segurança intrínseca utilizado para
proteção de equipamentos elétricos em áreas com potencial risco de explosão como gases e poeiras
combustíveis. O presente artigo tem como objetivo abordar sua evolução comparando os conceitos de
Parâmetros de Entidade, FISCO, Tronco de Alta Potência e DART, que proporcionam um nível cada vez
mais alto de energia em áreas classiÔcadas possibilitando a utilização de vários equipamentos
conectados em sistemas de redes industriais.
Palavras chave ‚ Segurança intrínseca, atmosfera explosiva, parâmetros de entidade, FISCO,
Tronco de alta potência, DART.
I. INTRODUÇÃO
Após a II Guerra Mundial, houve uma grande expansão das indústrias petroquímicas com o uso de
derivados de petróleo. Após estudos motivados pela ocorrência de diversos acidentes com explosões,
surgiram as primeiras teorias sobre áreas consideradas de risco.
O risco é uma combinação da ocorrência do evento perigoso (frequência ou probabilidade) e das
consequências deste evento. Para reduzir a probabilidade ou a frequência de um risco adicionamos
normalmente sistemas de proteção e instituímos procedimentos para reduzirmos as chances de falhas.
Baseado nestas pesquisas surgiu o conceito chamado de segurança intrínseca, que consiste em limitar
os valores da energia evitando a geração de faíscas e fontes de calor que poderiam servir de ignição
para uma explosão, podendo causar uma grande catástrofe.
II. CLASSIFICAÇÃO DE ÁREAS
Segundo deÔnições da ABNT NBR IEC 60079-14, área classiÔcada é uma área na qual uma atmosfera
de gás ou vapor explosivo ou pós-combustíveis estão presentes, ou na qual é provável sua ocorrência a
ponto de exigir preocupações especiais para a construção, instalação, utilização e manutenção de
equipamentos elétricos.
Os estudos de classiÔcação de áreas têm como Ônalidade básica mapear e determinar as extensões e
abrangências das áreas que podem conter misturas explosivas, podendo ser classiÔcadas por zonas,
grupos, classe de temperatura e EPL [1].
III. SEGURANÇA INTRÍNSECA
A origem do conceito de segurança intrínseca surgiu no início do século XIX na Inglaterra, quando uma
explosão em uma mina de carvão provocou a morte de muitos trabalhadores.
Um circuito ou parte dele é intrinsecamente seguro quando, sob condições de ensaios prescritas na
Norma NBR IEC 60079-11, não é capaz de liberar energia elétrica (faísca) ou térmica suÔciente para,
em condições anormais (por exemplo, curto circuito ou falha para terra), causar ignição de uma dada
atmosfera.
Toda a mistura ou produto inÒamável possui o chamado MIE (Minimun Ignition Energy), energia mínima
de ignição, em função da concentração da mistura. Trabalhando com um valor abaixo do MIE do
produto, será impossível provocar uma detonação.
Os equipamentos intrinsecamente seguros seguem três padrões de categorias, podendo ser
classiÔcados em ia, ib, ic, conforme abaixo:
Nível de proteção ia: Equipamento intrinsecamente seguro incapaz de provocar a ignição da atmosfera
explosiva em operação normal e com a aplicação de até duas falhas contáveis, além das falhas não
contáveis que conduzem à condição mais crítica.
Nível de proteção ib : Equipamento intrinsecamente seguro incapaz de provocar a ignição da atmosfera
explosiva em operação normal e com a aplicação de uma falha contável, além das falhas não contáveis
que conduzem à condição mais crítica.
Nível de proteção ic: Equipamento intrinsecamente seguro incapaz de provocar a ignição da atmosfera
explosiva em operação normal.
A falha contável é aquela que está em conformidade com os requisitos (regras de construção da norma
NBR IEC 60079-11) de construção básicos do tipo de proteção; e as falhas não contáveis são aquelas
não em conformidade com essas regras.
O modelo de segurança intrínseca oferece um dos mais elevados índices de segurança em áreas
classiÔcadas como atmosfera explosiva, mas isto apenas não é o suÔciente se a instalação, a
manutenção, o projeto ou a inspeção técnica não forem realizados por pessoas devidamente treinadas
e certiÔcadas.
IV. FOUNDATION FIELDBUS
A FF (Foundation Fieldbus) é uma arquitetura de rede industrial totalmente aberta para integrar a
informação. Seu objetivo é interconectar equipamentos de controle e automação industrial, distribuindo
funções e fornecendo informações a todas as camadas do sistema. Esta tecnologia veio substituir o
sistema 4-20mA, possibilitando a comunicação digital e bidirecional entre os equipamentos de uma
forma mais eÔciente.
A Foundation Fieldbus anunciou a adoção do FISCO em 2001, quando este novo conceito foi
adicionado nos parâmetros das especiÔcações da camada física. Tal padrão, que será explanado à
frente, adota certos critérios para utilização de equipamentos em áreas classiÔcadas. Desde 1996, a
camada física para sistemas Intrinsecamente Seguros usavam os parâmetros do Modelo de Entidade
incluído na Norma IEC 61158.
V. PARÂMETROS DE ENTIDADE IS
O modelo de Entidade IS surgiu na década de 80 como uma solução para o conceito de segurança
intrínseca e foi deÔnido de acordo com a NBR IEC-60079-11, como sendo um método de validação para
segurança em áreas intrinsecamente seguras. O conceito permite a interligação de instrumentos de
campo intrinsecamente seguros com barreiras sem que os mesmos tenham sidos certiÔcados em
conjunto.
Os critérios deÔnidos para a interconexão no conceito entidade foram baseados em estudos de
compatibilidade, considerando que os valores de tensão, corrente e potência que os instrumentos de
campo podem receber, devem ser maiores ou iguais a tensão, corrente e potência de saída da barreira
de segurança. Não podendo ser desprezados também os valores de indutância e capacitância dos
cabos.
Os parâmetros de Entidade IS padronizados para Fieldbus recomendam, Uo= 24 V, I = 250 mA e P = 1.2
W para fontes de alimentação usadas para o grupo de gases IIC [2].
Se os critérios da Entidade IS forem seguidos, pode-se então dizer que a conexão pode ser implantada
com total segurança, independentemente do modelo do equipamento ou até mesmo do fabricante.
VI. FISCO
O Conceito Fieldbus Intrinsecamente Seguro (FISCO), foi desenvolvido para fornecer uma maneira
de suprir energia adicional para um segmento Fieldbus, enquanto se mantém o nível de energia abaixo
do que poderia causar uma explosão [2]. O conceito FISCO foi criado através de experiências práticas
de campo pelo centro de pesquisas PTB da Alemanha. O comprimento do cabo é limitado a 1000m para
Grupo de gases IIC e 1900m para o Grupo IIB, sendo, portanto idêntico a qualquer sistema Fieldbus e
permitindo a conexão de equipamentos intrinsecamente seguros na rede.
As grandes vantagens do FISCO são a possibilidade da interconexão de mais equipamentos em
relação ao Modelo de Entidade, aumento da disponibilidade de energia além da facilidade para a
validação de sua proteção contra explosão.
Todo e qualquer equipamento que for conectado a uma rede FISCO, deve obrigatoriamente respeitar
as limitações impostas pela norma. O número máximo de dispositivos de campo intrinsecamente
seguros em uma rede FISCO por derivação segundo a norma é de 32.
A rede também possui terminadores, que são compostos por um resistor de 90 Ohms e um capacitor de
no máximo 2,2 øF, com a função de casar a impedância da rede, eliminando o efeito de reÒexão do sinal
de comunicação.
VII. TRONCO DE ALTA POTÊNICA.
Com o conceito chamado HPTC (High-Power Trunk Concept) tronco de alta potência, o condicionador
de energia Fieldbus pode alimentar o segmento em alta tensão e alta corrente na área segura, tornando
possível se instalar uma rede Fieldbus com o máximo do comprimento de seu cabo 1900 m.
Fig.2 Tronco de alta potência [3].
A energia é distribuída dentro da área classiÔcada através de interfaces limitadoras em toda sua rede
até o destino Ônal. Comparado com outros métodos de instalação intrinsecamente seguros, o conceito
apresenta um projeto mais simples com um custo menor. As fontes de alimentação podem ter
conÔgurações redundantes e serem ligadas em paralelo, possibilitando uma maior conÔabilidade, já que
por sua vez quando uma fonte falhar, outra assume a função imediatamente sem interrupção, além de
aumentar a vida útil da fonte de energia. O tronco de alta potência mistura as combinações dos
dispositivos FISCO e Entidade em um único segmento.
VIII. TECNOLOGIA DART
A tecnologia DART (Reconhecimento e Extinção de Arco Voltaico) possui um fator de segurança
através de uma proposta inovadora. O DART monitora o comportamento elétrico do circuito,
reconhecendo o momento exato quando é gerada uma faísca na rede.
DART foi certiÔcado de acordo com os padrões da Norma IEC 60079-11, sua validação e seu projeto
são simples e não necessita de cálculo [1].
A energia que é transmitida no período de chaveamento é reduzida para um valor abaixo do valor
mínimo do gás utilizado, além de permitir um considerável aumento da energia que pode ser manipulada
no circuito. As fontes de tensão DART e os protetores de segmento DART sempre trabalham juntos
fornecendo grande proteção para o tronco de alta potência. Sempre que ocorre uma faísca no circuito
há um aumento de tensão, ocasionando um aumento natural de temperatura possibilitando uma fonte
de ignição seja ela gerada por uma centelha ou por superaquecimento. A Fig.3 mostra o
comportamento típico de uma faísca e indica as mudanças características da corrente na fase critica
com potencial de faísca, mostra também o momento em que o sensor detecta a mudança de corrente e
interrompe a energia, a Ôm de cessá-la.
Fig.3 Comportamento típico da faísca [3].
A tecnologia DART reconhece as mudanças características do circuito e interrompe a energia de forma
segura nos primeiros instantes. Sua proteção é acionada durante a fase inicial e seu circuito eletrônico
realiza um chaveamento simples, desligando sua fonte de tensão dentro de um período de 5 øs sem
interromper a comunicação e extinguindo a possibilidade de causar uma ignição.
Esta tecnologia também é responsável por conseguir obter os altos valores de tensão possíveis na rede
utilizando um cabo tronco de até 1,000 m com comprimento de derivações de 120m.
Esta tecnologia apresenta todas as características do conceito tronco de alta potência, FISCO e
Modelo de Entidade juntas. Dentre suas principais vantagens, a tecnologia DART pode conectar até 24
instrumentos de campo por segmento, possui fonte de tensão redundante, conexão com dispositivo
FISCO, Entidade e diagnóstico avançado contínuo da camada física.
Após o conceito da tecnologia DART surgiu um novo conceito baseado na mesma análise de detecção
de falhas, trazendo outra grande vantagem, o aumento da potência de consumo dos circuitos de campo,
sendo uma evolução do conceito DART. Este conceito ainda está sendo estudado e pesquisado para a
realização de uma norma técnica.
Em 2011 foi proposta pelo Comitê Técnico de Normalização da Alemanha sob a coordenação do PTB a
elaboração de uma nova Norma Técnica, a IEC TS60079-39 (Intrinsically Safe Systems with
electronically controlled spark duration limitation) Power-i.
IX. CONCEITO POWER-I
O conceito POWER-I (sistemas intrinsecamente seguros com duração da centelha eletronicamente
controlada) baseia-se na formalização de uma nova norma técnica sobre atmosferas explosivas a IEC
60079-39, com o objetivo de proporcionar mais energia elétrica com os mesmos níveis de proteção
exigidos para atmosferas explosivas.
Esta norma é aplicável para equipamentos com fontes de alimentação variando entre 20 a 30Vcc para
Grupo IIC, para Grupo IIA e IIB com fontes de alimentação entre 20 a 40Vcc.
Comparando o sistema POWER-I com os outros sistemas intrínsecos baseados na Norma IEC 6007911, o sistema POWER-I pode ser instalado com consumo de potência de até 50 W enquanto nos outros
conceitos pode ser instalados com carga de somente 2 W.
Diferentemente do sistema DART que utiliza sua proteção baseada em um chaveamento rápido para
desligar sua fonte de alimentação, o sistema POWER-I reage dinamicamente à alteração do valor da
corrente quando um nível crítico de variação é detectado. Seu circuito eletrônico de chaveamento
possui dois tempos de comutação que atuam na ordem de microssegundos aumentando assim sua
conÔabilidade.
X. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A escolha de qual conceito a ser utilizado depende da planta industrial e das condições de processos.
Em processos de pequeno porte, é usualmente utilizado o conceito Entidade que também pode ser
economicamente mais viável a instalação. Em processos mais complexos são utilizados outros
conceitos como FISCO, Tronco de Alta Potência e DART. Todos estes conceitos citados precisam ser
certiÔcados, o que atribui a eles um alto grau de conÔabilidade.
Atualmente, um assunto muito discutido é a formação de pessoas especializadas para trabalhar tanto
em áreas de segurança intrínseca como na instalação ou na manutenção da rede.
Mesmo que o dispositivo receba um selo de conformidade, não quer dizer que a instalação estará
segura, já que sua instalação requer cuidados. Caso a instalação não seja realizada por pessoas
devidamente treinadas o resultado pode ser desastroso, anulando o grau de segurança dado pela
conformidade do dispositivo.
REFERÊNCIAS
[1] Site da internet. Aplicando o DART Fieldbus,
URL: http://www.pepperl+fuchs.com.br/brazil/pr/16608.htm, 2013.
[2]VERHAPPEN, Ian, PEREIRA, Augusto. Foundation Fieldbus. 4. ed. ISA,2013.
[3] BECK, Armin, HENNECKE, Andreas. Fieldbus intrinsecamente seguro para áreas classiÔcadas.
URL: http://Ôles.pepperlfuchs.com/selector_Ôles/navi/productInfo/doct/tdoct1548a_por.pdf, 2013.