Exi: krav, utfordringer og muligheter

Transkript

1 PA PAOG Egil Skogland IFEA Ex miniseminar 22.okt 2013

2 ABB AS ABB NORGE AS Divisjon Discrete Automation And Motion Divisjon Low Voltage Products Divisjon Process Automation Divisjon Power Products Divisjon Power Systems Olje gass og petrokjemi Marine Turbocharging Papir metall og cement Egil Skogland. Lead Engineer ABB Forus.

3 System 800xA Control SIL: Safety Integrity Level. Functional safety. SIL level SIL1 til SIL 4 Kontrollsystem for F&G ESD PSD Prosess. Operatørsystem / servere Referanser: OLF 070 IEC IEC Eksempel: ESD = SIL 2 krav iht OLF070 Exn. Sone 2. Ref: NEK-EN Controllere: Sone 2 (Exn). SIL 3

4 800xA IO 800 I/O Sone 2 (Exn) SIL I/O Sone 1

5 Mål Forkortelser / Definisjoner IS Intrinsically Safe NIS Non Intrinsically Safe Målet med denne presentasjonen: Gi en forståelse for krav som gjelder for Exi kretser. Gjennom eksemplifisering vise kompleksiteten ved prosjektering av Exi og viktigheten av kompetent personell. Innhold: Kort repitisjon og gjennomgang av Exi prinsipp. Krav til kompetanse. Eksempel på feilkonstruert IS krets med to barrierer sammenkoblet Muligheter med to barrierer sammenkoblet. Eksempel på IS krets mot vanlig switch og valgkriterium for switch. Galvanisk barrierer versus Zener barriere

6 Ex beskyttelsestiltak Ex i Tennenergi for gass: IIA gasser: 200µJ (Propan) IIB gasser: 60µJ (Etylen) IIC gasser: 20µJ (Hydrogen) Ex i er et beskyttelsestiltak for bruk i eksplosjonsfarlig sone som handler om ENERGIBEGRENSING Prinsippet går ut på å begrense energien i det elektriske utstyret og redusere evnen til lagring av energi i de elektriske kretsene. Ex i konstrueres slik at energien i kretsene ikke kan lage en sterk nok gnist til å tenne en gassblanding. Dette gjøres blant annet ved å kople kretsen til en strøm- og spenningsbegrensende barriere.

7 Funksjonsmåte / krav Forskrifter: Installasjon: NEK-EN Konstruksjon: NEK-EN og NEK-EN Verifisering av krets: NEK-EN eller NEK-EN Kan brukes galvaniskbarriere eller zenerbarriere Sone 2: Ex ic Sone 1: Ex ib Sone 0: Ex ia Simple apparatus: NEK-EN pkt NEK-EN pkt 5.7 Maks 15V 100mA 25mW Ex i - Egensikkert Energien i de elektriske kretsene skal ikke danne gnister selv om det skjer en kortslutning linjebrudd eller annen feil. IS kretsene legges segregert fra andre kretser og kabler slik at energi ikke kan overføres induktivt fra andre kabler. Alternativt brukes skjerming av kabler. Alle IS kretser må verifiseres for å bekrefte at løsningen er egensikker. Alt utstyr i kretsen skal være sertifisert Exi bortsett fra simple apparatus. Simple apparatus har ikke krav til sertifisering men skal verifiseres og vurderes i loopdokumentasjonen. (Stikkord: spenningsfasthet mot jord verifisering av plastkapsling temperaturfastsetting termineringsavstand mot NIS ikke energi)

8 Kompetansekrav iht Exi for prosjekterende personell OLF oljeindustriens landsforening En interesse- og arbeidsgiverorganisa sjon for oljeselskaper og leverandør bedrifter knyttet til utforsking og produksjon av olje og gass på norsk kontinentalsokkel. IFEA: Industriens forening for elektroteknikk og automatisering Oljeselskapene forholder seg til OLF Anbefalte retningslinjer for kompetanse og opplæring av elektropersonell. (IFEA kompetansematrise) Kompetansematrisene angir anbefalt timeantall til kurs og ajourhold av basis og tilleggskompetanser. I praksis betyr dette kurs innen Exi prosjektering og repetisjonskurs hvert 5 år. Referer også til NEK-EN Annex F kunnskapskrav til personell. Utdrag fra IFEA kompetansematrise

9 Enkel verifisering av IS krets Forskrifter: Verifisering av krets: NEK-EN eller NEK-EN Evt verdier for kalkulasjon av induktans og kapasitans: NEK-EN Må ha verdier fra Ex sertifikat på sensor og barriere. Må ha lengde og induktans/kapasitans verdier for kabel. Gjør en kjapp kalkulasjon (ikke avansert matematikk.) Verifiser barriere Uo/Io/Po er lavere enn instrumentets Ui/Ii/Pi Verifiser induktans og kapasitans lavere enn tillatt Så enkelt kan deg gjøres. Eller..?

10 Mulighet ved bruk av to barrierer og sensor. Barrierer med lineær strøm/spennings karakteristikk Uo = Uo1 + Uo2 Io = Høyeste av Io1 og Io2 Po = Io x Uo / 4 Kan hente ut to signal fra samme sensor. Signalene vil være galvaniske skilt. Sone 1 Sone 2 LER/safe sone

11 Mulighet ved bruk av to barrierer og sensor forts Barrierer med lineær strøm/spennings karakteristikk Uo = Uo1 + Uo2 Io = Io1 + Io2 Po = Io x Uo / 4 Kan bruke en barriere til spenningsforsyning av instrument og en 4-20mA barriere til signal.

12 Riktig rekkefølge for verifikasjon Exi krets m/to barrierer Alle tabeller for bestemmelse av max tillatt kapasitans og induktans i kretsene finnes i NEK-EN NB! Barrierene må ha lineær strøm/spennings karakteristikk. Dersom dette ikke er tilfelle må prosedyre i NEK EN følges! Prosedyre er beskrevet i NEK 420/NEK EN tillegg A. Justert med referanse til tabell/figur i NEK-EN

13 Riktig rekkefølge for verifikasjon Exi krets m/to barrierer Figur A1 Figur A4 Figur A3 I [A] L [H] C [μf] U [V] I [A] U [V] Tabell A1 Tabell A2

14 Eksempel 1 loop med parallellkoblet barriere.

15 Nye parameter på erstatningsbarriere. 103mA Not OK Barriere nr 2 ble erstattet av ny type fra leverandør. Helt lik.. Verdiene ble endret fra 11V/53mA til 11V/103mA/28mW. Det ble ikke informert fra innkjøp til engineering at barriere var utgått og serieproduksjon fortsatte. Norm NEK-EN ble redning for dette konkrete eksempelet.

16 Exi utfordring. Bruk av vanlig feltbryter mot barriere. Eksempel fra en applikasjon levert offshore. To plattformer. Et signal skal overføres. SIL krav gjør at dette må være HW. IS brukes for å unngå overføring av energi En vanlig trykkbryter velges og tankegangen er som følger: Lavspenning men bryter tåler 230V Check! Lav strøm men bryter tåler 3A bra! Check! Simple apparatus ok! Testes ok! Kan vi garantere funksjon om fem år?

17 Exi utfordring. Bruk av vanlig feltbryter mot barriere. NAMUR er vanlig standard for barrierer og sensorer. Her er det brukt en MTL5511 med loop overvåking NAMUR og SIL godkjenning Switch /prox barriere har lav spenning og lav strøm. Fordel og ulempe. Typisk eksempel for en MTL 5511 er utgangspenning 7-9V Strøm oppgis ikke i datablad men kan regnes ut basert på at barrieren har en lineær karakteristikk Her vil strømmen være mellom 2 og 47mA

18 Forts Eksempel på riktig bryter. ABB kontaktblokk for sammenbygging: Standard: 690V 24V / 10A 56mA Micro switch: 125V 3V / 3A 1mA

19 Forts Hvilken løsning velges. For low level brytere og rele brukes det ofte gull belagt kontaktflate. Derav finner en ofte betegnelsen AU. Ved for høy strøm vil gullbelegget ødelegges men bryteren fungere for høy strøm. Typiske verdier for standard brytere: 500V spenning 3-16A resistiv last 05A induktiv last Typiske verdier for low level brytere. 5-50V Spenning 1-50mA NB! Under test og FAT vil en vanlig bryter sannsynligvis fungere uten noe problem. Feilfunksjon kan oppstå etter tid grunnet forurensing av kontaktflater. Dersom vi skal lage en løsning som skal garantere funksjon med SIL krav kan vi ikke gå ut over leverandør spesifikasjon spesifikasjonene er basert på tester utført etter IEC med aldringstest. Vær obs ved alle applikasjoner der en har lav spenning og lav strøm. Der bør det brukes kontaktsett som er beregnet for dette. Ved bruk av inteface rele gjelder samme tankegang. Siemens DI typisk: "1" typisk 7-15mA ABB DI modul for 800xA eksempel DI830 "1" typisk 6mA Dette betyr at Interface rele inn til DI må også være LowLevel!

20 Valg av barriere: Zenerbarrierer Alltid jordet krets Typer: Positiv enkanals/tokanals barriere Negativ enkanals/tokanals barriere Ikke polarisert barriere

21 Valg av barriere Galvaniske skiller Prinsipp virkemåte:

22 Galvanisk skille bør velges. Fordeler: Ikke krav til IS-jord. Jordede sensorer kan brukes Fjerner problem med retur strømmer og har høy common strøm motstand. (galvanisk skille er støybegrensende.) Bedre målenøyaktighet grunnet lite komponentstøy Output signalene kan brukes direkte. Tåler atmosfæriske utladninger og kortslutninger bedre enn Zenerbarrierer. Ulemper: Høyere komponentkostnader Laget for spesifikk applikasjon mindre fleksibilitet kontra Zener Spesiell type må brukes for å slippe gjennom høyfrekvent signal (Hart vibrasjonssensor)

23 Jordingsprinsipp Screen skal flyte i felt og være jordet ved barriere. IS skinne skal være montert på Isolator Alle spare ledere skal kobles til jord i en ende.

24 Ny Zenerbarriere settes inn. Zenerbarriere er rimelig. En kreativ økonomisk sjel vil spare penger og setter inn en zenerbarriere i stedet for galvanisk. Alle ser at dinskinneklemme på zenerbarrieren er koblet til jord? Hva skjer med IS jord?

25 Jording av zenerbarriere Impedans til jord = max 1 ohm. Ved jordfeil på PE systemet kan nullpotensiale løftes og en får forskjellig nullpotensiale i skap og i felt = gnist! IS jord og PE jord skal ALDRI kobles sammen!

26 Konklusjon De aller fleste feil som gjøres bunner i manglende kompetanse. Viktigheten av kompetanseheving for personell kan ikke presiseres nok. I tillegg skal det være arbeidsrutiner for å fange opp feil og evt manglende kompetanse Dersom en ingeniør blir satt til å designe eller endre på en Exi loop uten riktig kunnskap er dette graverende feil. Hittil er det kun Exia som har vært godkjent for sone 0. Hva er konsekvensen ved en gnist her Spørsmål?

27