REDES INDUSTRIAIS EM REAS CLASSIFICADAS

BASF S. A.

Autores e palestrantes: Hermano J. Souza. Tcnico em Automao Eletroinstrumentista

Cludio A. O. Correia. Engenheiro Eltrico Coordenador Engenharia de Campo

Contato: Hermano Jos de Souza Manuteno central Tel.: 55 (011) 4347-1538 Fax: 55 (011) 4347-1246 hermano-jose.souza@basf.com

Cludio Antonio de Oliveira Correia Engenharia de Campo Tintas Tel.: 55 (011) 4347-1194 Fax: 55 (011) 4347-1246 claudio.correia@basf.com

REDES INDUSTRIAIS EM REAS CLASSIFICADAS

RESUMO O desenvolvimento industrial e tecnolgico, impulsionado pela Segunda Guerra Mundial e o rpido aumento da demanda por petrleo e seus derivados, trouxe uma grande expanso mundial no parque fabril dedicado a extrao, refino e transformao de substncias qumicas necessrias a esse desenvolvimento. Geralmente so substncias perigosas, nocivas a sade, ao meio ambiente e, muitas vezes, potencialmente explosivas, exigindo um tratamento muito especial. Os conceitos de segurana intrnseca, originados a partir de 1913, so ento largamente aplicados, relacionando substncias, temperatura e enclausuramento de equipamentos e processos sob o conceito de reas Classificadas . Basicamente, reas Classificadas so reas nas quais existe a possibilidade de formao de atmosferas potencialmente explosivas. Tomando-se as devidas precaues na fase de projeto, hoje possvel a instalao de qualquer tipo de equipamento eltrico em reas classificadas, inclusive redes industriais de cho de fbrica, de controle e dados corporativos.

1- INTRODUO Em 1913, um grave acidente ocorreu em uma mina de carvo na Inglaterra causando a morte de muitos operrios nos subterrneos da mina. Houve uma forte exploso da atmosfera gasosa suspensa no ambiente. A comisso de investigao formada debateu muito se a exploso foi causada ou no por uma fasca, gerada no sistema de sinalizao de baixa tenso utilizado para avisar o pessoal de superfcie que os carros de carvo estavam prontos a subir. O sistema era composto por seis baterias do tipo Leclanch, uma sirene e dois condutores de fio nu que percorriam as galerias. Com uma ferramenta metlica qualquer, os operrios curto-circuitavam os fios, acionando a sirene. O baixo nvel de tenso e corrente eram considerados seguros para essa operao. Das pesquisas que se seguiram a esse fato, nasceu o conceito de Segurana Intrnseca e a necessidade da classificao de reas de risco locais onde a atmosfera pode ou no oferecer algum tipo de risco, tanto na operao normal quanto em falhas no processo. Verificou-se que o fator mais importante para determinar a segurana de um circuito a energia armazenada neste circuito. A energia armazenada na bobina da sirene mais a energia no condutor durante a circulao de corrente pde alcanar, uma vez que no estava propriamente limitada, um nvel capaz de gerar um arco voltaico suficiente para a ignio da mistura ar-gs do ambiente.

Os conceitos evoluram muito e se transformaram em diversas formas de proteo. Componentes eltricos e seus respectivos circuitos para reas classificadas so, obrigatoriamente, desenhados de forma a no gerar arcos voltaicos ou fascas capazes de causar a ignio de uma substncia potencialmente explosiva. Do ponto de vista qumico, a oxidao, a combusto e a exploso so todas reaes exotrmicas. O que diferencia uma da outra a velocidade de reao. Os fatores determinantes para a ocorrncia destas reaes formam o chamado tringulo de ignio: Combustvel: gases, vapores, ps; Comburente: ar ou oxignio; Energia: trmica ou eltrica.

O resultado de uma reao deste tipo poder ser uma combusto controlada, chamas sem controle ou uma exploso, dependendo de como a energia exotrmica for liberada. Todos as metodologias de proteo empregadas procuram eliminar um ou mais dos componentes do tringulo, reduzindo os riscos a nveis aceitveis.

2 - CLASSIFICAO DE REAS DE RISCO Um conjunto simultneo de condies presentes num ambiente determina o risco de ignio de uma mistura ar-gs: Gs, vapor ou p inflamveis ou explosivos misturados atmosfera; Acmulo de material inflamvel ou explosivo; Presena de fontes de energia, fascas eltricas ou superfcies aquecidas capazes de causar a ignio da mistura.

O primeiro passo consiste em levantar as caractersticas do combustvel envolvido no processo quanto a sua mnima energia de ignio (MIE), o limite inferior de explosividade (LEL) e o limite superior de explosividade (UEL). MIE (Minimum Ignition Energy): informa o valor abaixo do qual a ignio de uma mistura impossvel (medida em micro-joules); LEL (Lower Explosive Limit): concentrao abaixo da qual a ignio da mistura no ocorre devido falta de combustvel (excesso de comburente); UEL (Upper Explosive Limit): concentrao acima do qual a ignio no ocorre devido falta do comburente (excesso de combustvel).

Por exemplo: Hidrognio: MIE 20 J, LEL 4%, UEL 75%; Propano: MIE 180 J, LEL 2%, UEL 9,5% Do ponto de vista prtico, o LEL mais importante que o UEL porque ele estabelece a quantidade mnima de gs necessria para criar uma mistura explosiva. A Segurana Intrnseca baseada na MIE, ou seja, a energia liberada por um circuito eltrico intrnseco mesmo em condies anormais limitada por um valor abaixo da MIE. Temos ainda dois fatores a considerar: a Mnima Temperatura de Ignio, que o valor de temperatura que pode causar a ignio de uma mistura sem fonte de energia eltrica e o ponto de fulgor, que define o menor valor de temperatura do lquido capaz de gerar vapores inflamveis por uma fonte de energia. A partir destes dados passamos efetivamente a classificao da rea de risco. As principais classificaes mundiais so a europia e a norte-americana. Nossas plantas seguem a classificao europia como norma e adequamos os equipamentos que seguem a classificao norte americana pela sua equivalncia com a europia. A classificao europia segue as recomendaes da IEC 79-10 classificando uma rea de risco em zonas: Zona 0: rea em que uma mistura explosiva ar-gs est presente continuamente por longos perodos; Zona 1: rea em que a ocorrncia de uma mistura explosiva ar-gs provvel em operao normal; Zona 2: rea em que a ocorrncia de uma mistura explosiva ar-gs improvvel porm se ocorrer ser por curto perodo.

Quanto aos equipamentos, temos a diviso em grupos segundo o padro europeu EN 50.014: Grupo I: equipamentos usados em minas onde o perigo representado pelo gs metano; Grupo II: equipamentos para a indstria de superfcie onde o perigo representado por gases e vapores identificados por 3 subgrupos - A, B e C. Estas subdivises so baseadas na determinao do Mximo Interstcio Experimentalmente Seguro (MESG) para enclausuramentos a prova de exploso e na determinao da Mnima Corrente de Ignio (MIC) para equipamentos eltricos intrinsecamente seguros.

Nos Estados Unidos e Canad, a classificao baseada no padro NFPA 70 artigo 500 do National Electrical Code e C 22.1 parte 1 do Canadian Electrical Code que classificam as reas de risco em duas divises: Diviso 1: pode haver perigo durante o funcionamento normal; Diviso 2: pode haver perigo somente em funcionamento anormal.

As subdivises so feitas em classes e subgrupos: Classe I: gases e vapores, subgrupos A,B,C e D dependendo do gs presente; Classe II: Poeiras, subgrupos E,F e G dependendo da poeira presente; Classe III: Fibras combustveis, no possuem subgrupos.

As tabelas seguintes resumem as duas classificaes: Perigo constante Zona 0 Diviso I Perigo intermitente Zona 1 Condio anormal Zona 2 Diviso II

IEC / Europa USA / Canad

Tab. 1 Classificao de reas europia e norte-americana

Categoria Metano Acetileno Hidrognio Etileno Propano Poeira de metal Poeira de carvo Poeira de gros Fibras

Europa Grupo I (minas) Grupo II C Grupo II C Grupo II B Grupo II A Em preparao

Amrica do Norte no classificado Classe I, Grupo A Classe I, Grupo B Classe I, Grupo C Classe I, Grupo D Classe II, Grupo E Classe II, Grupo F Classe II, Grupo G Classe III

Energia de ignio > 20 J > 20 J > 60 J > 180 J Ignio mais fcil

Tab. 2 Classificao de equipamentos europia e norte-americana

Em relao temperatura de superfcie, esta deve ser menor do que a mnima temperatura de ignio do gs presente. O padro europeu EM 50.014 determina a subdiviso da temperatura mxima de superfcie em 6 faixas nomeadas de T1 a T6 tomando por referncia a temperatura ambiente de 40 oC. Nos Estados Unidos e Canad a classificao de temperatura similar europia exceto para as classes T2, T3 e T4 que possuem subdivises como mostrado na tabela 3:

Temperatura mxima de superfcie (oC) 450 300 280 260 230 215 200 180 165 160 135 120 100 85

Temperatura mxima de superfcie (oF) 842 572 536 500 446 419 392 356 329 320 275 248 212 185

Europa T1 T2

EUA / Canad T1 T2 T2 A T2 B T2 C T2 D T3 T3 A T3 B T3 C T4 T4 A T5 T6

T3

T4 T5 T6

Tab. 3 Classificao da temperatura de superfcie europia e norte-americana

Alm dos equipamentos eltricos existem outras fontes de ignio nas reas classificadas que devem ser avaliadas. A lista a seguir relaciona algumas destas fontes: Superfcies quentes (tubulaes, mancais); Cargas eletrostticas (materiais plsticos, roupas de fibras sintticas, fluidos no condutivos); Trabalhos a quente (solda); Fascas geradas por atrito mecnico (rotor de bomba ou ventilador encostando-se carcaa).

Em 32% das exploses em atmosferas explosivas formadas por poeiras, a fonte de ignio tem origem mecnica. Por levar em considerao estatsticas como a acima mencionada, a diretiva europia relativa segurana no trabalho em reas com a presena de atmosferas potencialmente explosivas (ATEX) estabelece tambm um adicional relativo a critrios construtivos para equipamentos mecnicos e exige o fornecimento de uma declarao de conformidade pelo fabricante ou at mesmo, para casos especficos, certificao fornecida por um terceiro. Nota: A legislao brasileira ainda no exige cuidados especiais com equipamentos mecnicos para reas classificadas.

3 - FORMAS DE PROTEO A seguir listamos as diversas formas de proteo por ns utilizadas seguindo o padro normalizado pela srie IEC 60079 e as respectivas normas NBR: 3.1 - A prova de exploso 'Ex d' (IEC 60079-1; NBR 5363): este conceito de proteo significa que a fonte de ignio (contatos, superfcies quentes) ser mantida em um invlucro que resista presso de uma eventual exploso da atmosfera dentro deste invlucro. As juntas prova de exploso so dimensionadas (comprimento e interstcio) de tal maneira que as chamas sejam abafadas e os gases quentes resfriados ao passar as juntas e assim no consigam propagar a exploso para fora do invlucro.

3.2 - Pressurizao ou Diluio Contnua 'Ex p' (IEC 60079-2; NBR 5420): consiste em manter a atmosfera potencialmente explosiva fora das fontes de ignio atravs de uma pressurizao do equipamento com um gs inerte (ar limpo, nitrognio). Quando existem no equipamento fontes de liberao de produto inflamvel, por exemplo: casas ou abrigos de analisadores, a pressurizao no suficiente. Neste caso necessrio manter um fluxo do gs inerte com uma vazo que garanta que mesmo com a maior taxa de liberao do produto inflamvel o limite inferior de explosividade no seja ultrapassado. necessrio supervisionar a presso ou a vazo do gs inerte e em caso de valores inadequados desligar o equipamento. Tecnologia normalmente utilizada para grandes equipamentos como painis e motores de mdia tenso ou para equipamentos para os quais no existem verses "Ex" como analisadores e equipamentos de informtica.

3.3 - Imerso em leo 'Ex o' (IEC 60079-6; NBR 8601): consiste em manter a atmosfera potencialmente explosiva fora das fontes de ignio, mantendo estas submersas em um lquido, normalmente leo. Esta tecnologia foi largamente aplicada no passado para equipamentos de manobra. O leo servia neste caso no s como meio de proteo mas tambm como meio de extino do arco voltaico. necessrio que o nvel do lquido fique acima das fontes de ignio com margem de segurana. Hoje em dia muito rara a aplicao desta tecnologia.

3.4 - Enchimento de Areia 'Ex q' (IEC 60079-5; NBR em elaborao): conceito igual ao adotado no Ex o, s que neste caso utilizado um granulado (areia) para manter a atmosfera potencialmente explosiva fora das fontes de ignio. Este tipo de proteo muito aplicado em equipamentos eletrnicos de potncia como fontes, reatores e mdulos de sada de CLP's.

3.5 - Encapsulamento em Resina 'Ex m' (IEC 60079-18; NBR em elaborao): conceito igual ao adotado no Ex o e no Ex q, s que neste caso utilizado uma massa plstica para manter a atmosfera potencialmente explosiva fora das fontes de ignio. Este tipo de proteo muito aplicado em equipamentos eletrnicos de automao e de comunicao. Em geral pode se dizer que esta tecnologia no adequada para equipamentos eletrnicos de potncia devido a problemas com a dissipao de calor.

3.6 - No acendvel 'Ex n' (IEC 60079-15; NBR em elaborao): este tipo de proteo rene vrios conceitos para equipamentos eltricos para zona 2. A maioria destes conceitos so baseados nos tipos de proteo para zona 1 mas com fator de segurana reduzida. Existem as seguintes variantes do Ex n:

nA - no faiscante (variante da segurana aumentada); nC - faiscante, contatos adequadamente protegidos, mas no L, P ou R; nL - limitao de energia (variante da segurana intrnseca); nP - pressurizao simplificada; nR - invlucros de respirao restrita.

3.7 - Segurana Intrnseca 'Ex i' (EC 60079-11; NBR 8447): consiste em limitar a energia dentro de um circuito a valores incapazes de inflamar uma mistura explosiva atravs de fascas ou temperaturas altas. Para garantir esta limitao necessrio analisar o circuito com todos os seus componentes, alm daqueles instalados fora da rea classificada. Para esta anlise so fornecidos nos respectivos certificados os parmetros para tenso; corrente; potncia; indutncia e capacitncia. Existem duas categorias de proteo para Segurana Intrnseca Ex i: Ex ia e Ex ib que se diferenciam nos fatores de segurana. A categoria Ex ia tem fator de segurana que permite a aplicao em zona 0, mas neste caso o equipamento instalado nesta zona no pode gerar fascas operacionalmente. A categoria Ex ib s pode ser usada nas Zonas 1 e 2 assegurando que no ocorra a ignio em caso de operao defeituosa do equipamento.

3.8 - Segurana Aumentada 'Ex e' (EC 60079-7; NBR 9883): tipo de proteo para componentes que no geram arcos voltaicos ou fascas durante o funcionamento normal nem em condies de falha e nos quais so evitadas temperaturas de superfcie elevadas. geralmente usado em conjunto com outras formas de proteo. Este mtodo foi desenvolvido na Alemanha e reconhecido na Europa sob o padro EN 50019 porm no foi adotado pelo Canad e Estados Unidos.

3.9 - Proteo especial 'Ex s' (no normalizado): no um tipo de proteo normalizada, mas sim uma possibilidade de construo de equipamentos utilizando-se de novas tecnologias a fim de se obter a garantia de um nvel de segurana igual ao dos tipos de proteo normalizadas. As Entidades de Certificao devem atestar este fato atravs de um certificado de equivalncia. A titulo de informao, podemos citar que a tecnologia de encapsulamento at a sua normalizao como tipo de proteo m foi certificado pelos organismos como sendo Proteo Especial Ex s.

4 - CONFIGURAO DE REDE ATUAL A necessidade de uma automatizao maior, a instalao mais enxuta, a manuteno mais simples, a capacidade de configurao e diagnstico a distncia e as possibilidades de controle do processo oferecidas foram fatores determinantes para escolha das redes de campo na ampliao dos nossos processos produtivos. A disponibilidade no mercado de diversos protocolos fieldbus que permitem a instalao em reas classificadas, dispondo de uma gama muito grande de instrumentos, sensores e atuadores compatveis com tais protocolos permitiram a implantao desta filosofia com segurana. Atualmente, a nossa configurao de rede a apresentada de forma esquemtica na figura abaixo, distribuda em 7 prdios diferentes. As distncias entre CPUs variam de 100 a 500m. Apenas um dos prdios produtivos no classificado. Os demais so classificados como Zona 1, IIB, T3, ou seja, reas em que a ocorrncia de uma mistura explosiva ar-gs provvel em operao normal, instalao de superfcie pertencente ao grupo do Etileno e temperatura de superfcie na faixa de 200 oC.

Zona 1, II B, T3 Estaes de Operao e EngenhariaPC 1 PC 2 PC 3 PC 4 PC 5 PC 6 PC 7

SDCD AC450

Produo Resinas

SDCD AC450DP/Asi Coupler DP/PA

DP/Asi Coupler DP/PA

CLP S7 400

CLP S7 400

CLP S7 300

CLP 5-03

CLP 5-03

CLP 5-03

CLP 5-03

Link DP/PA

Link DP/PA

Link DP/PA

Central de EnergiaDP/Asi IHM DP/Asi IHMs

Zona 1, II B, T3CLP S7 400

Zona 1, II B, T3

Tancagens TintasLink DP/PA DP/Asi

Vernizes

CLP 5-05 Profibus DP Profibus PA MPI Asi Master Bus 300 DH-485 Devicenet RS-422

IHMs

No Ex

IHMs

Dnet/Asi

IHM

IHM

Zona 1, II B, T3

4.1 - Atuadores e sensores: Para a conexo de atuadores Configurao AS-i pneumticos e sensores digitais com os sistemas de controle (SDCD e CLP), utilizamos os protocolos As-i (Actuator Sensor Interface) e Devicenet. Os SDCD monitores de posio dos atuadores so construdos na forma segurana aumentada ExGateway e com indicador local e DP/AS-i comportam o elemento escravo de rede As-i. Este elemento disponibiliza uma sada para acionamento da solenide e dois Vlvulas e atuadores sensores de efeito Hall para leitura da posio. Os escravos esto conectados em barramento a um coupler Profibus DP/AS-i e estes ao SDCD, tambm em barramento. Em cada gateway hoje instalado podem ser configurados at 31 escravos (a verso atual do protocolo As-i permite a configurao de 62 escravos por gateway).

4.2 - Instrumentao: Os transmissores de presso e de temperatura, medidores mssicos de vazo, radares de nvel e posicionadores pneumticos utilizam a tecnologia ProfibusPA interligados por couplers DP/PA. Cada instrumento ligado ao barramento principal atravs de caixas derivadoras construdas na forma a prova de exploso Ex-d. Todos os instrumentos tambm tm seus invlucros construdos na forma Ex d. A tecnologia Profibus PA especifica uma corrente mxima de 110mA por coupler paraSDCD Coupler DP/PA

Transmissor de presso

Derivaes

Posicionador

Medidor mssico

instalao em reas classificadas. Ns limitamos em 7 instrumentos por coupler, ou seja, 70 mA, levando em considerao a segurana e a possibilidade de expanso, que ocorre constantemente conforme novas necessidades de processo. No barramento de rede Profibus da instrumentao, tambm est conectado um PC, rodando um software de configurao de dispositivos Profibus PA. Atravs dele temos acesso a todos os instrumentos, permitindo a execuo de parametrizao e calibrao distncia bem como obter vrias informaes de diagnstico de cada um.

4 - CONCLUSO Desde a instalao das redes de campo nas reas de risco at o momento no foi registrado nenhum incidente envolvendo o sistema. A instalao se mostra segura e confivel, no causando transtornos ao controle do processo. O processo produtivo onde esto instaladas as redes constitudo por reatores de grande porte, tanques de estocagem de solventes e resinas diversas e tanques dispersores para mistura de tintas. Fomos os pioneiros, dentre os sites do grupo em todo o mundo, a instalar redes de campo em reas classificadas. A planta hoje constituda de cerca de 433 pontos analgicos, 3600 pontos digitais, 285 instrumentos em rede, 2300 pontos de rede de atuadores e sensores, tudo distribudo em 17 redes de controle, 38 redes de instrumentos e 43 redes de atuadores/sensores. Nossos processos so dinmicos. Exigncias de mercado e lanamento de novos produtos constantemente exigem alteraes nas receitas. As alteraes podem exigir apenas parametrizaes diferentes nos instrumentos ou o acrscimo de novas matrias-prima, necessitando instalao de novas linhas de dosagem por medidor mssico, novas vlvulas e sensores. A implantao destes novos dispositivos na rede se torna fcil e rpida bastando uma nova derivao no tronco de rede principal e a configurao do novo n na rede. Economiza-se em cabos de alimentao e sinal, barreiras intrnsecas e espao fsico nas salas de rack (local de montagem dos SDCDs e CLPs).

5 - BIBLIOGRAFIA Introduction to Intrinsic Safety, Elcon Instruments INC., 1990; Basf, reas Classificadas, Normalizao tcnica Intranet; Souza, H. J., Treinamento Avanado CLP, Basf SA SBC SP, 2003; Souza, H. J., Correia, C., 2005, Redes Industriais no Controle de Processos, Intech, 78, 2005; Souza, H. J., 2005, Evoluo dos Protocolos de Comunicao, Controle e Instrumentao, 119, 2005.