V chemickém a petrochemickém průmyslu se pracuje s vysoce hořlavými plyny a oleji a je třeba zachovávat vysokou míru opatrnosti, aby se v těchto odvětvích náchylných k požárům zabránilo požáru nebo výbuchu.
Pro omezení možnosti vzniku požáru v těchto odvětvích je nutné dodržovat několik technik požární prevence.
Riziko požáru nebo výbuchu v požárně nebezpečných oblastech se zvyšuje v přítomnosti horkých povrchů a elektrických jisker. Tato rizika lze minimalizovat prací s nižším pracovním napětím a nižšími úrovněmi energie. Tato energeticky omezená technika ochrany, nazývaná "jiskrová bezpečnost", je základem požární prevence tam, kde se pro správný provoz a řízení zařízení používá elektronická instrumentace.
Oxidátor (vzduch nebo kyslík), paliva (hořlavé páry, kapaliny, plyny, vlákna, hořlavý prach) a zápalná energie (tepelná nebo elektrická) přispívají k jiskření nebo vzniku požáru a jsou obecně známy jako "zápalný trojúhelník", který je znázorněn na obrázku 1. Dnešní metody ochrany jsou založeny na eliminaci jedné nebo více ze tří složek zápalného trojúhelníku, aby se snížila pravděpodobnost vzniku požáru v nebezpečném prostředí.
Rozváděče do Ex prostředí, proplachování atd. jsou některá z opatření, která se obvykle provádějí v požárně nebezpečných odvětvích k omezení nebezpečí požáru.
Pro zřízení sběrnice Foundation Fieldbus H1 nebo PROFIBUS PA (MBP) definuje norma ČSN EN 61158-2 ed. 5 Průmyslové komunikační sítě - Specifikace sběrnice pole - Část 2: Specifikace fyzické vrstvy a definice služby maximální rozměry segmentu sběrnice pro provoz v bezpečném prostoru. Soubor norem ČSN EN 60079 Výbušné atmosféry definuje bezpečný provoz sběrnice v případě prostředí s nebezpečím požáru.
Klasifikace nebezpečných prostorů je založena na identifikaci hořlavých plynů a par, jejich charakteristikách a pravděpodobnosti jejich kontaktu s jiskrami a obloukem horkého prostředí. Pro bezpečný provoz zařízení v nebezpečných oblastech již byly zavedeny bezpečnostní normy. Nebezpečné prostory se rozdělují na základě četnosti vzniku a doby přítomnosti výbušné plynné atmosféry.
Vzhledem k tomu, že každá výbušná látka má jiné chemické vlastnosti, existuje také různá pravděpodobnost vzniku výbuchu. Mezi charakteristické vlastnosti látek patří teplota plamene, minimální energie pro vzplanutí, dolní a horní meze výbušnosti a molární hmotnost. Z tohoto důvodu jsou plyny, páry a prachy klasifikovány do skupin. Existují skupiny označované I, II a III, přičemž skupiny II a III jsou dále doplněny písmeny A, B nebo C. Látky zařazené do skupiny I jsou důlní plyny, látky zařazené do skupiny II zahrnují všechny povrchové plyny a páry a skupina III je vyhrazena pro prachy. Dodatková písmena označují těkavost látky. Zatímco látky skupin IIC a IIIC jsou nejvíce těkavé, látky skupin IIA a IIIA naopak nejméně těkavé.
V systému zónové klasifikace je nebezpečný prostor rozdělen do tří zón: zóna 0, zóna 1 a zóna 2. Zóna 0 se vztahuje na trvalou nebo dlouhodobou přítomnost hořlavých směsí plynných par. V zóně 1 se očekává výskyt hořlavých směsí za normálních okolností, zatímco v zóně 2 je výskyt hořlavé směsi za normálních okolností nepravděpodobný a v případě výskytu by se rychle rozptýlila.
Konečně, v Severní Americe se běžně používá systém klasifikace divizí a ve zbytku světa systém klasifikace zón.
Jiskrově bezpečný sběrnicový systém
Topologicky jsou jiskrově bezpečné sběrnicové systémy a normální sběrnicový systém totožné a příliš se neliší. V prvním případě je na jednom vodiči umístěno méně zařízení a místo běžné impedance napájení je zde bezpečnostní bariéra. V jiskrově bezpečných systémech jsou polní zařízení konstruována tak, aby do sběrnice nepřiváděla žádný proud.
U jiskrově bezpečného systému se používá pouze jeden napájecí zdroj, tj. není povolena žádná redundance. Bariéry jsou umístěny v bezpečných oblastech. Pokud má být v některých případech bariéra umístěna v nebezpečném prostoru, musí být umístěna v ohnivzdorné skříni s ohnivzdorným těsněním.
Jiskrově bezpečné sběrnicové systémy se v průběhu let vyvíjely a stávaly se stále robustnějšími a spolehlivějšími, přičemž do nich bylo zabudováno více bezpečnostních prvků. Na obrázku 3 je znázorněno, jak se tyto systémy v průběhu let vyvíjely.
Koncept Entity
Je definována v ČSN EN 60079-11 ed. 2 Výbušné atmosféry - Část 11: Ochrana zařízení jiskrovou bezpečností "i" a je to metoda pro ověřování jiskrově bezpečných operací pomocí jiskrově bezpečných parametrů. Těmito parametry jsou napětí, proud, výkon, indukčnost a kapacita. Kapacita a indukčnost kabelu jsou považovány za kumulativní a musí být zohledněny spolu s kapacitou a indukčností zařízení použitých v segmentu. V koncepci Entity se pro bariéru používá lineární výstupní charakteristika mezi proudem a napětím. Výstupní výkon pro Ex IIC je přibližně 1,2 W při 11 V DC, přičemž maximální dostupný proud je 60 mA. Tím je omezen maximální počet zařízení, která lze připojit na jednu bariéru.
Když dojde k poruše, napájení bariéry se automaticky odpojí. Maximální počet zařízení na jednu bariéru při výkonu 1,2 W je přibližně dva až tři, což prakticky vylučuje přijatelnost koncepce Entity z přijetí pro jiskrově bezpečný sběrnicový systém.
Model FISCO
Na rozdíl od lineární výstupní charakteristiky (mezi proudem a napětím) pro koncepci Entity má model jiskrově bezpečné koncepce průmyslové sběrnice (FISCO), vyvinutý společností PTB, lichoběžníkovou výstupní charakteristiku. V porovnání s Entity poskytuje větší výkon, což otevírá cestu k připojení většího počtu zařízení na jednu bariéru. Některé z výhod, které má FISCO oproti modelu Entity, jsou následující: a) větší dostupnost výkonu, b) zjednodušení výpočtů a c) standardizované parametry instalace.
Model FISCO neumožňuje žádné ustanovení o redundantním napájení. Kabely, napájecí zdroje a zařízení vyžadují před uvedením do provozu certifikaci a validaci podle modelu FISCO.
V modelu FISCO jsou výpočty atd. prováděny výrobci, a proto nabízí velmi snadný způsob instalace. Při krátkých délkách kabelů lze na jeden segment připojit přibližně 4-8 zařízení v závislosti na skupině plynů.
Jmenovité hodnoty pro zdroje FISCO se pohybují kolem 250 mA (skupina C, D, IIB) a 110 mA (skupina A, B, IIC).
Model HPTC
Společnost Pepperl + Fuchs představila v roce 2002 koncept HPTC (High Power Trunk Concept). V tomto modelu je v porovnání s předchozími dvěma již popsanými metodami k dispozici větší výkon na segment. Odstranil omezení s ohledem na délku segmentu a počet zařízení na segment. To vyžaduje pancéřování kabelu a jeho uložení do kanálu - tím je zajištěna mechanická ochrana proti výbuchu v nebezpečných prostorech. Polní zařízení jsou připojena ke kmenovému kabelu prostřednictvím bariér, aby se snížil výkon na jiskrově bezpečnou úroveň.
V HPTC se používají standardní napájecí zdroje. Tyto napájecí zdroje jsou levnější a snadno dostupné. Na rozdíl od dříve popsaných modelů umožňuje HTPC redundantní konfiguraci. Dva napájecí zdroje jsou umístěny paralelně a rovnoměrně sdílejí zátěž. V případě výpadku jednoho zdroje okamžitě přebírá zátěž druhý. Protože se za normálních okolností oba napájecí zdroje dělí o zátěž, zvyšuje se také jejich předpokládaná životnost. Některé z vlastností HPTC jsou: a) nejvyšší možná celková délka kabelu b) redundance v napájecím zdroji c) snadná validace nevyžadující žádné výpočty d) v segmentu lze smíchat zařízení vyhovující předpisům Entity a FISCO e) lze bezpečně použít standardní napájecí zdroje.
Model DART
Dynamické rozpoznávání a ukončování oblouku (DART) se od ostatních koncepcí odlišuje tím, že neomezuje výkon během běžného provozu systému, ale detekuje nebezpečí vzniku jiskry a včas odpojí napájení, aby jiskrový výboj vůbec nenastal. Protože DART zajišťuje vysokou dostupnost napájení během běžného provozu, vede k vyššímu počtu kabelů a k jednomu segmentu lze připojit mnoho zařízení bez nutnosti další chráněné instalace. DART detekuje potenciální poruchový stav vyhodnocením charakteristické změny proudu během poruchového stavu a odpojí napájení dříve, než dojde k jeho zapálení. Rychlost změny proudu di/dt při výskytu poruchy je vysoce deterministická - poruchový stav lze tedy snadno detekovat. Proto lze zabránit jakýmkoli katastrofickým následkům způsobeným potenciálním poruchovým stavem.
V současné době, kdy je třeba na sběrnici připojit větší množství zařízení umístěných v prostředí s nebezpečím výbuchu, řeší pomocí koncepce HPTC. Tato koncepce sice ruší omezení délky segmentů, ale má i své nevýhody. Napájení je přiváděno k jednotlivým zařízením páteřní sběrnicí, která je v kategorii Ex e. Příkon dodávaný jednotlivým zařízením připojeným na odbočné větve sběrnice je potom omezen bariérami, takže tato zařízení již jsou v kategorii Ex ia, ale vedení páteřní sběrnice v prostředí s nebezpečím výbuchu je omezeno. Pomocí DART Fieldbus lze realizovat plně jiskrově bezpečnou páteřní sběrnici Ex ib, která potom napájí jakákoliv zařízení, jež odpovídají požadavkům koncepce Entity nebo FISCO.
Model DART je velmi jednoduchý na instalaci a údržbu. Tím jsou zajištěny obrovské úspory investičních i provozních nákladů. Sběrnice DART je certifikována společností PTB podle normy ČSN EN 60079-11 ed. 2 Výbušné atmosféry - Část 11: Ochrana zařízení jiskrovou bezpečností "i" s certifikátem IEC-Ex. Podporuje 32 zařízení na segment, což je maximum přípustné pro běžný sběrnicový systém. Navíc páteřní sběrnice může mít délku až 1000 m. Tím se velmi snižuje složitost připojení. Jednoduchá topologie DART je zajištěna díky nasazení menšího počtu propojovacích krabic, napájecích zdrojů, bariér atd.
