BRPI0707234A2 - aparelho à prova de chama, método para operar sistemas e dispositivos em um ambiente de risco, e, painel de controle local para um dispositivo de controle de processo localizado em um ambiente de risco - Google Patents
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Abstract
APARELHO A PROVA DE CHAMA, METODO PARA OPERAR SISTEMAS E DISPOSITIVOS EM UM AMBIENTE DE RISCO, E, PAINEL DE CONTROLE LOCAL PARA UM DISPOSITIVO DE CONTROLE DE PROCESSO LOCALIZADO EM UM AMBIENTE DE RISCO Um dispositivo pretendido para ir de encontro às exigências à prova de chama é configurado para ter dois compartimentos separados por uma barreira limitadora de energia. O primeiro compartimento do dispositivo aloja as terminações de fio que suportam a energia capaz de ignição e, portanto, devem ser à prova de chama. A barreira limitadora de energia é configurada para limitar a energia que pode alcançar o segundo compartimento em um nível que não é capaz de ignição. Isso permite ao segundo compartimento ser seguro sem ir de encontro às exigências à prova de chama, e permite aos elementos de interface de usuário como comutadores e indicadores serem projetados de uma maneira mais custo-efetivo.
Description
aparelho à prova de chama, método para operarsistemas e dispositivos em um ambiente de risco, e,painel de controle local para um dispositivo decontrole de processo localizado em um ambiente derisco"
Referência cruzada a pedido correlato
Este pedido é baseado no pedido de patente provisória US60/761.801, depositado em 24 de janeiro de 2006, a inteireza do qual éincorporada aqui pela referência.
Descrição da técnica correlata
A presente invenção refere-se geralmente a sistemas decontrole de processo e, mais especificamente, a um sistema e dispositivos quepodem ser implementados de modo seguro em ambientes perigosos sembarreiras intrinsecamente seguras convencionais e sem completoencerramento por um alojamento à prova de chama que seria exigidonormalmente.
Descrição da técnica correlata
Em algumas aplicações de controle de processo, algunsdispositivos de controle de processo podem ser usados em ambientesperigosos apresentando um risco significativo de uma explosão se umacentelha ou chama for produzida pelos dispositivos de controle de processo. Afim de operar de modo seguro e realizar o controle de processo nessesambientes perigosos, foram desenvolvidos padrões para proteção contraexplosões. As duas abordagens aceitas mais comuns são prover alojamentos àprova de chama para os dispositivos de controle de processo, ou proverlimitação de energia intrinsecamente segura nos circuitos conectados aosdispositivos de controle de processo, de modo que centelhas ou chamas nãosejam geradas pelos dispositivos tanto durante as operações normais quantodurante falhas dos dispositivos.Sob os padrões de alojamento à prova de chama, osalojamentos de dispositivo são configurados para impedir as chamas de sepropagarem a partir dos alojamentos no evento de uma explosão ou centelhadentro dos alojamentos. Por exemplo, as paredes do alojamento podem servedadas de modo seguro, e as aberturas através das paredes de alojamentopelas quais linhas de energia e comunicação passam são configuradas paraimpedir as chamas de escaparem do alojamento. Para impedir as chamas deescaparem das aberturas, as aberturas podem ser preenchidas ou tampadascom um material de envasamento retardador de chama, tolerante a pressãoque impede uma chama de passar através da abertura, ou as aberturas podemser configuradas para prover vãos que não provêem espaço suficiente para achama sair através dos vãos.
Sob os padrões operacionais intrinsecamente seguros, avoltagem e/ou corrente sob a qual os dispositivos de controle de processooperam é provida em um nível que não é suficiente para gerar uma centelhano evento de uma falha nas conexões ou circuito dos dispositivos.Conseqüentemente, a voltagem operacional pode ser limitada a uma voltagemmáxima especificada para impedir a geração de centelhas. Impedindo-se ageração de centelhas, os dispositivos intrinsecamente seguros não causarãofogo ou explosão na operação normal ou no evento de uma falha.
Embora os dispositivos de controle de processo operando sobos padrões examinados acima provejam a segurança contra fogo e explosãonecessária em ambientes perigosos, os padrões também criam limitaçõessobre a implementação e realização do controle de processo em áreasperigosa. As exigências de alojamento à prova de chama são bem rigorosas, etornam difícil tirar vantagem das convenientes características de controle emonitoramento de controle de processo, como mostradores de LCD, botões,comutadores e o equivalente. Essas características não podem serimplementadas sobre o exterior dos alojamentos à prova de chama, e é difícile caro configurar alojamentos à prova de chama de uma maneira na qual essascaracterísticas possam ser utilizadas. Barreiras intrinsecamente segurastipicamente eliminam a necessidade de recintos à prova de chama, mas essasbarreiras são caras para comprar e instalar. Uma barreira intrinsecamentesegura tipicamente exige um aterramento para limitar a energia disponívelpara uma falha potencial ao terra. Prover um aterramento, em muitasimplementações, é inconveniente, visto que uma conexão sólida aoaterramento não está prontamente disponível, e a provisão de um aterramentopode conduzir a custos excessivos.
Adicionalmente, os sistemas de controle de processo sãoconvencionalmente instalados com todo o equipamento de área de perigoespecificado e instalado de acordo com um ou outro desses métodos. Isto é,todo à prova de chama ou todo intrinsecamente seguro. Isto é para evitarconfusão entre o pessoal de manutenção devido às diferentes práticasenvolvidas em cada abordagem. A abordagem à prova de chama não exigebarreiras intrinsecamente seguras e seus custos associados, enquanto aabordagem intrinsecamente segura não exige os alojamentos pesados e suaslimitações de acesso associadas. Portanto, existe uma necessidade de proveros benefícios de energia limitada de acesso mais fácil para mostradores econtroles em uma instalação que use a abordagem à prova de chama para asegurança de área de perigo.
Em ambientes de controle de processo como aquelesexaminados acima, podem ser implementadas válvulas de desligamento deemergência (ESD) que sejam configuradas para desligar no evento de umaemergência no ambiente de controle de processo. Tipicamente, as válvulas deESD são operadas raramente (somente em situações de emergência) e podemficar emperradas na posição aberta ou não de segurança. Desse modo, édesejável implementar métodos para testar a operação dessas válvulas paraverificar sua condição. Em muitas implementações correntes, em particularonde as válvulas de ESD são instaladas em ambientes perigosos usando aabordagem à prova de chama, os dispositivos de controle de válvula nãopodem ser prontamente acessados para controlar ou testar manualmente asválvulas de ESD. Para facilitar o teste de válvula mais freqüente, mais fácil,bem como o controle local da operação da válvula, é desejado implementarpainéis de controle local custo-efetivo que vão de encontro às exigências parao uso em um ambiente de risco, e podem ser instalados usando métodos deinstalação à prova de chama.
Dependendo da implementação, a energia pode ser suprida aosdispositivos, incluindo as válvulas ESD, por meio de várias fontes. Emalgumas ilustrações, a energia pode ser suprida por uma fonte de energiatípica, como uma entrada de energia CC de 24 volts. Em outras instalações, osdispositivos de controle de processo podem receber energia a partir da rede decontrole de processo sobre a qual os dispositivos também podem trocarinformação de controle de processo. Por exemplo, em uma rede de 4-20mA,os fios conectados aos dispositivos podem suprir uma corrente CC paraenergizar os dispositivos, bem como para comunicar um sinal de controle deprocesso. Em algumas implementações, como aquelas associadas aoprotocolo HART®, um sinal de comunicação digital é sobreposto ao sinal CCpara prover comunicações de controle e diagnóstico ao dispositivo. Pode serapreciado por alguém experiente na técnica que várias fontes de energia paraos dispositivos de controle de processo podem existir dentro de umainstalação e, portanto, existe uma necessidade de painéis de controle deprocesso locais para acomodar diferentes fontes de energia. Adicionalmente, àmedida que as válvulas ESD podem ser implementadas em ambientesperigosos, existe uma necessidade de prover painéis de controle localfacilmente acessíveis de baixo custo que vão de encontro aos padrões para oequipamento instalado nesses ambientes perigosos.SUMÁRIO
Um dispositivo pretendido para ir de encontro às exigências àprova de chama é configurado para ter dois compartimentos separados poruma barreira limitadora de energia. O primeiro compartimento do dispositivoaloja as terminações de fio que suportam a energia capaz de ignição e,portanto, devem ser à prova de chama. A barreira limitadora de energia éconfigurada para limitar a energia que pode alcançar o segundocompartimento em um nível que não é capaz de ignição. Isso permite aosegundo compartimento ser seguro sem ir de encontro às exigências à provade chama, e permite aos elementos de interface de usuário como comutadorese indicadores serem projetados de uma maneira mais custo-efetivo. A barreiralimitadora de energia pode incluir um circuito limitador de energia desuprimento de energia utilizando fusíveis e diodos Zener configurados paraassegurar que a saída da barreira limitadora de energia seja mantida no nívelde energia baixo desejado quando sobre-tensões de voltagem ou correnteocorrerem dentro do alojamento à prova de chama, a barreira limitadora deenergia pode incluir adicionalmente circuitos limitadores de energia deconexão externa incluindo diodos configurados para assegurar que qualquerenergia intencionalmente ou acidentalmente suprida através da conexãoexterna seja mantida dentro da voltagem do sinal de saída de baixa energiaprovido pela barreira limitadora de energia. A barreira limitadora de energianão é pretendida para limitar a voltagem entre o circuito e o alojamento dodispositivo, mas, ao invés disso, entre quaisquer dois pontos dentro docircuito. A descarga de energia entre o circuito e o alojamento será impedidapela provisão de espaçamento infalível dentro do segundo alojamento.
Em um outro aspecto, um painel de controle local para umaválvula ESD é configurado para receber e usar a energia a partir de diversasfontes de energia. O painel de controle local pode incluir o circuito decomunicação, comutadores e indicadores, e um filtro de comunicaçõesconfigurado para passar sinais entre o circuito de comunicação e a válvulaESD. O painel de controle local pode incluir adicionalmente uma pluralidadede conversores de energia, cada um configurado para receber um sinal deentrada de energia e para converter o sinal de entrada de energia para um sinalde voltagem fixo para o uso pelos componentes do painel de controle local. Opainel de controle local também pode incluir um comutador de seleção deenergia conectando as saídas de circuito de barreira de conversor de energiaao circuito de comunicação, onde o comutador de seleção de energia acopla asaída de um dos circuitos de barreira de conversor de energia aoscomponentes do painel de controle local. Em um aspecto adicional, osconversores de energia podem ser dispostos dentro de um alojamento à provade chama tendo uma barreira limitadora de energia, enquanto o circuito decomunicação, comutadores e indicadores, e o filtro de comunicações podemser dispostos em um alojamento não à prova de chama e podem receber osinal de saída de baixa energia a partir da barreira limitadora de energia doalojamento à prova de chama.
Descrição resumida dos desenhos
A Figura 1 é um exemplo de diagrama esquemático de umalojamento à prova de chama contendo uma barreira limitadora de energia econectado a um alojamento não à prova de chama;
a Figura 2 é um exemplo de diagrama de bloco de um modo derealização de um painel de controle local de fonte de energia dupla para umaválvula de desligamento de emergência; e
a Figura 3 é um exemplo de diagrama de bloco de umaimplementação do painel de controle local da Figura 2 implementado em umambiente de risco com o alojamento à prova de chama da Figura 1.
A Figura 4 é um exemplo de diagrama de bloco de umalojamento não à prova de chama contendo uma barreira limitadora deenergia conformando-se com um padrão de "Segurança Aumentada".Descrição dos modos de realização preferidos
Embora o seguinte texto apresente uma descrição detalhada denumerosos modos de realização diferentes da invenção, deve sercompreendido que o escopo legal da invenção está definido pelas palavras dasreivindicações apresentadas ao final desta patente. A descrição detalhada deveser interpretada apenas como exemplificativa e não descreve cada modo derealização possível da invenção uma vez que a descrição de cada modo derealização possível seria pouco prático, se não impossível. Numerosos modosde realização alternativos poderiam ser implementados usando-se a tecnologiaatual ou tecnologia desenvolvida após a data de solicitação desta patente, queainda cairiam dentro do escopo das reivindicações que definem a invenção.
Deve ser igualmente compreendido que, a menos que umtermo seja expressamente definido nesta patente usando-se a sentença "comousado aqui, o termo '_' é aqui definido para significar..." ou sentençasimilar, não há nenhuma intenção de limitar o significado desse termoexpressa, ou implicitamente, além de seu significado comum ou normal, eeste termo não deve ser interpretado como limitado no escopo baseado emqualquer afirmativa feita em qualquer seção desta patente (à exceção dalinguagem das reivindicações). Até o ponto em que qualquer termo relatadonas reivindicações no fim desta patente seja referido nesta patente de maneiraconsistente com um único significado, o que é feito apenas pela clareza paranão confundir o leitor, e não é pretendido que este termo da reivindicação sejalimitado, implicitamente ou de outra maneira, a esse único significado.Finalmente, a menos que um elemento da reivindicação seja definidorelacionado à palavra "significa" e a uma função sem relacionar qualquerestrutura, não se pretende que o escopo de qualquer elemento de reivindicaçãoseja interpretado baseado do pedido de acordo com 35 U.S.C., § 112, sextoparágrafo.
A Fig. 1 ilustra um modo de realização de um alojamento àprova de chama 100 tendo uma barreira limitadora de energia interna 102configurada para prover saídas de baixa energia de modo que os dispositivosda interface, tais como monitores de cristal líquido (LCDs), teclas einterruptores, conectados às saídas não precisem ser considerados capazes deignição (isto é de fornecer uma fonte de ignição em um ambiente deprocesso). Geralmente, no modo de realização ilustrado, o alojamento à provade chama 100 e a barreira limitadora de energia 102 são configurados paraassegurar que uma voltagem máxima, como 5v, saia pelas linhas desuprimento de energia tendo uma voltagem operacional nominal como 3v.
Outras conexões externas, por exemplo, para instrumentos através de umaconexão externa 136, são limitadas igualmente pela barreira 102 a umavoltagem não capaz de ignição dentro do alojamento não seguro contra chama104. Entretanto, aqueles experientes na técnica compreenderão que oscomponentes do alojamento 100 e da barreira limitadora de energia 102podem ser configurados como desejado e/ou necessário para que umaimplementação particular proveja uma voltagem particular de saída máxima.
O alojamento à prova de chama recebe energia de um sistema,tal como um sistema de controle distribuído, através de dois fios 106, 108carregando uma alimentação de corrente, por exemplo, em um laço decorrente convencional de 4-20mA onde o primeiro fio 106 fornece a correntee o segundo fio 108 fornece um trajeto de retorno que pode ser conectado,internamente, ao terra do instrumento. O laço de corrente compreendendo osdois fios 106 e 108 pode ser, por exemplo, associado com laços decomunicação, como uma rede de comunicação, também, de 4-20mA. Deacordo com os padrões de segurança aplicáveis, os fios 106, 108 entramtipicamente no alojamento à prova de chama 100 através de condutos à provade chama. Os fios 106, 108 são alimentados através de um conversor CC-para-CC 110 para reduzir a voltagem de funcionamento ao nível desejadopara entrar na barreira limitadora de energia 102.Na saída do conversor 110, os fios 106, 108 podem serconectados a um circuito 112 da barreira limitadora de energia 102configurada para assegurar que a saída da voltagem do alojamento à prova dechama 100 para o alojamento não seguro contra chama 104 não exceda avoltagem máxima de saída predeterminada. Conseqüentemente, a saída doconversor 110 provê uma voltagem operacional nominal, como 3v, e é fixadaa um máximo de voltagem pelos diodos Zener 118 e 120, como 5.1v. Maisespecificamente, o circuito da fonte de energia 112 pode incluir os fusíveis114, 116 ao longo dos fios 106, 108, e pode incluir, além disso, diodos Zenerparalelos redundantes 118, 120 conectados entre os fios 106, 108. Os fusíveis114, 116 e diodos Zener 118, 120 são configurados para impedir que qualquervoltagem diferencial maior do que a voltagem Zener se propague para oscomponentes no alojamento não seguro contra chama 104. Em particular, osfusíveis 114, 116 são selecionados com corrente e faixas de voltagemapropriadas para assegurar que os diodos Zener 118, 120 impedirão quequalquer saída de voltagem mais elevada (por exemplo, acima de sua faixa devoltagem fixada) alcance o alojamento não seguro contra chama 104.
Além disso, os diodos Zener 118, 120 podem ter umavoltagem mínima de reversão, como 5.1v, de modo que os diodos 118, 120conduzirão a corrente necessária entre os fios 106 e 108 para manter avoltagem mínima de reversão ou queda máxima entre os fios 106, 108.Alguém experiente na técnica pode apreciar, além disso, que o circuito dafonte de energia 112 pode incluir adicionalmente resistores 122A, 124A e/ou122B, 124B ao longo de um, do outro, ou de ambos os fios 106, 108, comomostrado, para limitar a corrente da barreira limitadora de energia para oscomponentes do alojamento não seguro contra chama 104. Na saída docircuito da fonte de energia 112, uma linha-fonte de voltagem 126 e umalinha-terra do instrumento 128 tendo a queda de voltagem especifica passamatravés da parede externa do alojamento à prova de chama 100 e sãoconectadas ao alojamento não seguro contra chama 104 através de conexões àprova de chama compatíveis 130, 132, respectivamente.
A fim prover conexões externas entre outros componentes dosistema e componentes dos alojamentos 100, 104, a barreira limitadora deenergia 102 pode incluir, adicionalmente, um ou mais circuitos de conexãoexternos 134 configurados para manter a voltagem da conexão externa dentrodos limites prescritos da barreira limitadora de energia 102. Por exemplo, osdispositivos no alojamento não seguros contra chama 104 podem serconectados a dispositivos transdutores remotos, interruptores ou outrosdispositivos do sistema de controle do processo. No modo de realização atual,uma linha de conexão externa 136 passa através do alojamento à prova dechama 100 e alojamento não seguro contra chama 104, com todas asconexões, como a conexão 138 entre o alojamento à prova de chama 100 e oalojamento não seguro contra chama 104, sendo compatíveis com padrões àprova de chama. A linha de conexão externa 136 é conectada à linha deenergia alta 126 por um primeiro par de diodos paralelos redundantes 140,142, e à linha terra do instrumento 128 por um segundo par dos diodosparalelos redundantes 144, 146. Alguém experiente na técnica pode apreciarque estes pares de diodos 140-146 asseguram que a voltagem na linha deconexão externa 126 é mantida dentro dos limites da voltagem de saída docircuito da fonte de energia 112 da barreira limitadora de energia. Estecircuito serve para manter uma voltagem não capaz de ignição entre qualquerum dos dois pontos do circuito no alojamento não seguro contra chama.Importante, estes fixadores não controlam a voltagem em modo normal dequaisquer dos circuitos em qualquer alojamento. Se conexões externasmúltiplas forem providas com o alojamento à prova de chama 100, umcircuito de conexão externo 134 será provido para cada conexão externa.
Com o alojamento à prova de chama 100 e a barreiralimitadora de energia 102 do modo de realização atual, é possível contemplarcolocar, igualmente, componentes capazes de ignição no alojamento à provade chama 100 em um ambiente de risco e ainda prover componentes de baixaenergia da interface do usuário em um alojamento não seguro contra chamaadjacente 104. Como ilustrado e descrito, componentes, capazes de igniçãosão contidos com segurança de modo que um chama ou explosão dentro doalojamento à prova de chama 100 não escapem para o ambientecircunvizinho, e os componentes não-incendiários são instalados sem adificuldade e custos de configurar o alojamento à prova de chama 100 demodo que os dispositivos da interface do usuário sejam acessíveis por umoperador no ambiente de risco, facilitando desse modo a monitoração local, oteste e o controle dentro do ambiente de risco.
Como explicado previamente, pode ser desejável instalardispositivos como LCDs, teclas, interruptores e semelhante em ambientesperigosos sem a complexidade e custo de instalar um alojamento à prova dechama configurado para usar estes dispositivos. De fato, um perito na técnicacompreende que em determinados ambientes esta instalação não pode mesmoser possível. Assim, o alojamento à prova de chama 100 e a barreiralimitadora de energia 102 como descritos acima, provêm um mecanismo parainstalar estes dispositivos com segurança em um ambiente de risco, isto é, emum alojamento não seguro contra chama como no alojamento 104 da Fig. 1,sem a necessidade de uma configuração de um alojamento à prova de chamafeito sob encomenda. Um exemplo de uma implementação de alojamento àprova de chama 100 e barreira limitadora de energia 102 é a instalação de umpainel de controle local em uma válvula ESD localizada em um ambiente derisco. Em muitas instalações típicas, as válvulas ESD são instaladas semcontroles locais ou monitoração, e, em vez disso, são monitoradas eminterfaces de usuário remotas. Entretanto pode ser desejado ser capaz decontrolar, monitorar e testar válvulas ESD nas próprias válvulas. De modo aoperar monitorar e controlar a válvula ESD, o painel de controle local exigeconexão a uma fonte de energia e uma ligação de comunicação à válvula ESDpara trocar sinais de controle.
Referindo à Fig. 2, nela está ilustrado um diagrama de blocofuncional de um modo de realização de um painel de controle local com duplafonte de energia 200. O painel de controle local 200 pode incluir circuitos decomunicação 202, interruptores e indicadores 204 e um filtro de comunicação206. Os circuitos de comunicação 202 podem incluir recursos deprocessamento e memória para controlar a operação do painel de controlelocal 200 para executar funções necessárias ou desejadas de monitoração eteste. Conseqüentemente, os circuitos de comunicação 202 podem incluir umprocessador, dispositivos de memória e interface ou módulos I/O apropriados,necessários para comunicar com os outros componentes do painel de controlelocal 200. Os interruptores e indicadores 204 podem incluir os dispositivos deentrada e de saída de dados necessários para um operador no painel decontrole local 200 monitorar o funcionamento da válvula ESD, e executar oteste ou operação manual da válvula ESD.
Em um modo de realização, os interruptores e indicadores 204podem incluir interruptores separados para manualmente ativar a válvulaESD, para restaurar a válvula ESD e para iniciar um teste parcial da pulsaçãoda válvula ESD, e indicadores de status separados, tais como monitores deLCD ou LEDs de apresentação, correspondendo aos interruptores e provendouma indicação visual do status de cada um dos interruptores ou provendooutra informação a um usuário. Os interruptores são conectadosoperacionalmente aos circuitos de comunicação 202 de modo que elesdetectem a atuação dos interruptores e façam que as funções correspondentesestejam executadas, e os indicadores são conectados operacionalmente aosinterruptores e/ou aos circuitos de comunicação 202 de modo que osindicadores sejam iluminados de maneira apropriada para indicar o status dosinterruptores e da válvula ESD. O filtro de comunicação 206 é conectadooperacionalmente entre os circuitos 202 e a válvula ESD, e configurado parafacilitar comunicações entre o painel de controle 200 e a válvula ESD. Em ummodo de realização, o filtro de comunicação 206 é configurado para secomunicar com a válvula ESD via um fluxo de bits em série semi-duplex.
Como explicado previamente, o painel de controle local 200igualmente exige uma fonte de energia para a operação dos componentesassociados a ele. No modo de realização ilustrado, o painel de controle local200 é configurado de modo que possa ser energizado por qualquer uma das,pelo menos, duas fontes de alimentação alternativas. Dependendo daimplementação e disponibilidade das fontes de alimentação na válvula ESD, opainel de controle 200 pode ser uma fonte de alimentação DC de 24v, ou olaço de controle usado para controlar a válvula ESD. Por exemplo, o sistemapode usar um sinal de controle de 4-20mA transportado sobre um par de fios ede ter uma corrente básica CC com, em alguns casos, um sinal decomunicação digital, como HART®, sobreposto sobre a corrente básica.Conseqüentemente, em vez de termos conexões de energia separadas paracada um dos dispositivos que recebe um sinal de controle de 4-20mA, osdispositivos podem ser energizados pela corrente básica CC do sinal decontrole, incluindo o painel de controle local 200.
Porque qualquer uma das entradas de energia pode estardisponível, o painel de controle local 200 pode incluir um conversor deenergia CC-para-CC 208 configurado para receber umas entradas dealimentação de 24v CC e um conversor do laço de energia 210 configuradopara receber o sinal de 4-20mA. Os conversores 208, 210 são configuradospara converter os sinais de entrada correspondentes em um sinal de voltagemfixo apropriado para prover energia aos componentes do painel de controlelocal 200 e são conhecidos na técnica. Para prover o circuito de controle eoutros componentes do painel de controle 200 com o sinal disponível deenergia, o painel de controle local 200 inclui, além disso, um comutador deseleção de voltagem 212 recebendo as saídas dos conversores 208 e 210, etendo uma saída conectada aos circuitos de comunicação 202. O comutadorde seleção de voltagem212 provê a uma das entradas de energia disponívelaos os circuitos de comunicação 202 e outros componentes do painel decontrole local 200.
Configurado como descrito, um painel de controle local comdupla fonte de alimentação 200 do pode ser implementado em sistemas decontrole de processo diversos e utilizar a entrada de energia disponível sem anecessidade e custo de prover um tipo de entrada de energia que não estejaprontamente disponível no sistema ou em porção do sistema.
Conseqüentemente, nas implementações onde os dispositivos são energizadosa partir do sinal de controle, o painel de controle local 200 pode ser instaladocom uma quantidade mínima de fiação de campo, e sem a necessidade deinstalar uma entrada de energia particular. Além disso, uma vez que todos oscomponentes do painel de controle local 200 são energizados pela saída docomutador de seleção de voltagem212, apenas um único par de fios énecessário para prover energia a todos os componentes do painel de controlelocal 200.
A Fig. 3 ilustra uma implementação do painel de controle local200 em ambiente de risco juntamente com o alojamento à prova de chama100 que tem a barreira limitadora de energial02. Neste modo de realização,os componentes do painel de controle local 200 podem ser divididos entre oalojamento à prova de chama 100 e o alojamento não seguro contra chama104 conforme necessário para assegurar a operação segura do painel decontrole local dentro do ambiente de risco. Conseqüentemente, os circuitos decomunicação 202, interruptores e indicadores 204, e o filtro de comunicação206 e o comutador de seleção de voltagem212 podem ser dispostos dentro doalojamento não seguro contra chama 104 e configurados para operar com avoltagem de entrada nominal de 3 ν CC provida pelo circuito da fonte deenergia 112 da barreira limitadora de energia 102, e os conversores de energia208 e 210 podem ser dispostos dentro do alojamento à prova de chama 100.
Dentro de alojamento não seguro contra chama 104, as linhaselétricas 126, 128 entram via conexões à prova de chama compatíveis 130,132, respectivamente, e são conectadas ao comutador de seleção devoltagem212. A fonte de energia selecionada é acoplada através docomutador de seleção de voltagem212 aos circuitos de comunicação 202,interruptores e indicadores 204 e ao filtro de comunicação 206 para prover aenergia necessária para operar os componentes.
Quando os componentes do painel de controle local 200operam para monitorar a válvula ESD, os circuitos de comunicação 202 secomunicam com a válvula ESD via filtro de comunicação 206. Este éconectado à válvula ESD através do alojamento à prova de chama 100 viauma conexão à prova de chama compatível separada 138 e de um circuito deconexão de energia externo, separado. 134. Além disso, a válvula ESD éigualmente conectada ao alojamento à prova de chama 100 via uma conexão àprova de chama compatível, e, o circuito de conexão de energia externo 134que corresponde ao filtro de comunicação 206 é igualmente disposto, aseparação interna necessária ou espaçamento denotado pela linha tracejada139 entre o laço de energia e fusíveis.
Alguém experiente na técnica compreenderá que outrasconfigurações de alojamento à prova de chama 100 e do painel de controlelocal 200 são possíveis para prover implementação segura do painel decontrole local 200 em um ambiente de risco. Por exemplo, o conversor deenergia 208 pode ser configurado para prover isolação comprovada destafonte de energia de modo que a energia fornecida através deste trajeto nãopossa combinar com a energia provida pela conexão de laço. Alguém podetambém apreciar que configurações alternativas adicionais, do alojamento àprova de chama 100 e do painel de controle local 200 podem igualmente sercontempladas sem fugir do espírito e do escopo da invenção.
Outra configuração alternativa que personifica os princípiosaqui apresentados está descrita na Figura 4. Neste modo de realização, não hánenhum envoltório à prova de chama, mas a aprovação da área perigosa totalé baseada no padrão "Segurança Aumentada" conhecido de outra maneira dosperitos na técnica como" Ex. e". Neste modo de realização é exigido apenasque o envoltório seja vedado do ambiente, não seguro contra chama. Isto é, hádeterminadas exigências de espaçamento (separação) nos pontos determinação do fio dentro da zona 300, Ex e. Qualquer circuito capaz deignição é colocado sob encapsulamento dentro da zona 302, Ex m, e oselementos interruptores como teclas e interruptores sãos situados na zona 304,Ex ib, onde não há energia capaz de ignição. O uso das barreiras limitadorasde energia neste modo de realização permite o uso de elementos interruptorescomuns que são muito menos caros e menores do que suas contrapartes àprova de chama. Este modo de realização não exige nenhum envoltóriodividido nenhum suprimento à prova de chama. Entretanto, a segurança dodispositivo é conseguida com uma abordagem limitadora de energia integralmuito similar aos outros modos de realização, e prove benefício similar decusto mais baixo, e implementação mais fácil de indicadores e interruptoresem um ambiente de risco.
Implementando o painel de controle local 200 com oalojamento à prova de chama 100 e barreira limitadora de energia 102, épossível em um ambiente de risco no qual uma válvula ESD está instaladacolocar os componentes de energia alta do painel de controle local 200(conversores 208, 210) no alojamento à prova de chama 100 e ainda provercomponentes da interface do usuário de energia baixa (circuitos decomunicação 202, interruptores e indicadores 204, e o filtro de comunicação206 e o comutador de seleção de voltagem212) em um alojamento não segurocontra chama adjacente 104. Como explicado acima, os componentes deenergia alta são contidos com segurança e os componentes de energia maisbaixa são instalados sem a necessidade de um alojamento à prova de chamapersonalizado, facilitando desse modo a monitoração local, o teste e ocontrole da válvula ESD dentro do ambiente de risco.
Embora a invenção tenha sido descrita em referência aosexemplos específicos, que são pretendidos como meramente ilustrativos e nãolimitativos da invenção, ficará aparente para os peritos na técnica quemudanças, adições ou anulações podem ser feitas aos modos de realizaçãoapresentados sem fugir do espírito e do escopo da invenção.
Claims (39)
1. Aparelho à prova de chama, caracterizado pelo fato decompreender:um alojamento à prova de chama;uma conexão de entrada conformável à prova de chamadisposta através do alojamento à prova de chama para receber um fio queconecta o aparelho à prova de chama a uma fonte de energia externa;uma conexão de saída conformável à prova de chama dispostaatravés do alojamento à prova de chama e tendo uma linha de fonte devoltagem;um conversor de voltagem disposto dentro do alojamento àprova de chama e tendo uma entrada de conversor conectada à conexão deentrada conformável à prova de chama e tendo uma saída de conversor, ondeo conversor de voltagem converte a voltagem a partir da fonte de energiaexterna para uma voltagem de saída de conversor que é menor do que, ouigual a uma voltagem de saída máxima predeterminada; euma barreira limitadora de energia disposta dentro doalojamento à prova de chama e tendo uma entrada de barreiraoperacionalmente conectada à entrada de conversor e uma saída de barreiraoperacionalmente conectada à linha de fonte de voltagem, a barreiralimitadora de energia compreendendo um circuito limitador para limitar avoltagem de saída na linha de fonte de voltagem de modo a ser menor ouigual à voltagem de saída máxima.
2. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pelo fato de que o circuito limitador inclui um dispositivolimitador de voltagem disposto entre a saída de conversor e uma linhacomum, de modo que o dispositivo limitador de voltagem conecte a saída deconversor à linha comum quando a voltagem de saída de conversor exceder avoltagem de saída máxima.
3. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dispositivo limitador de voltagem incluium diodo.
4. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dispositivo limitador de voltagem incluidiodos redundantes.
5. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato o dispositivo limitador de voltagem inclui um diodoZener.
6. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dispositivo limitador de voltagem incluidiodos Zener redundantes.
7. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito limitador incluir um dispositivolimitador de corrente conectado à saída de conversor, onde o dispositivolimitador de corrente opera para formar um circuito aberto quando a correntede saída de conversor exceder uma corrente de saída máxima predeterminada.
8. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dispositivo limitador de corrente inclui umfusível.
9. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender:uma conexão adicional de entrada conformável à prova dechama através do alojamento à prova de chama;uma conexão adicional de saída conformável à prova de chamaatravés do alojamento à prova de chama; euma linha de conexão adicional se estendendo entre a conexãode entrada conformável à prova de chama e a conexão adicional de saídaconformável à prova de chama,onde a barreira limitadora de energia compreende um circuitolimitador adicional operacionalmente conectado à linha de conexão econfigurado para limitar a voltagem de linha de conexão para ser menor doque, ou igual à voltagem de saída máxima.
10. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação-9, caracterizado pelo fato de que o circuito limitador adicional conecta a linhade conexão à saída de barreira, de modo que a voltagem de linha de conexãonão exceda a voltagem de saída na saída de barreira.
11. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação-10, caracterizado pelo fato de que o circuito limitador adicional compreendeum diodo conectando a linha de conexão à saída de barreira.
12. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação-9, caracterizado pelo fato de que o circuito limitador adicional conecta a linhade conexão a uma linha comum, de modo que a voltagem de linha de conexãonão caia abaixo de uma voltagem sobre a linha comum.
13. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação-12, caracterizado pelo fato de que o circuito limitador adicional compreendeum diodo conectando a linha de conexão à linha comum.
14. Aparelho à prova de chama de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pelo fato de compreender um alojamento não à prova dechama recebendo a linha de fonte de voltagem a partir do alojamento à provade chama, e tendo instrumentos elétricos dispostos no mesmo eoperacionalmente conectados à linha de fonte de voltagem.
15. Método para operar sistemas e dispositivos em umambiente de risco sem barreiras intrinsecamente seguras e sem completoencerramento em um alojamento à prova de chama, caracterizado pelo fato decompreender:receber um sinal de energia de entrada a partir de uma fonteexterna dentro de um alojamento à prova de chama, através de uma primeiraconexão de entrada conformável à prova de chama;converter, dentro do alojamento à prova de chama, a voltagemdo sinal de energia de entrada para uma voltagem de saída convertida menorou igual a uma voltagem de saída máxima predeterminada;limitar a voltagem de saída convertida de modo ser menor doque a voltagem de saída máxima quando a voltagem de saída convertida formaior do que a voltagem de saída máxima; eemitir à voltagem de saída convertida limitada a partir doalojamento à prova de chama, através de uma conexão de saída conformável àprova de chama do alojamento à prova de chama.
16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizadopelo fato de que, limitar a voltagem de saída convertida, compreende conectara voltagem de saída convertida através de um circuito para uma linha comumquando a voltagem de saída convertida exceder a voltagem de saída máxima.
17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que conectara voltagem de saída convertida através de um circuito a umalinha comum inclui conectar a voltagem de saída convertida, através de umdiodo, à linha comum.
18. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que conectar a voltagem de saída convertida, através de umcircuito a uma linha comum, inclui conectar a voltagem de saída convertidaatravés de diodos redundantes à linha comum.
19. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que conectar a voltagem de saída convertida, através de umcircuito a uma linha comum, inclui conectar a voltagem de saída convertidaatravés de um diodo Zener à linha comum.
20. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que conectar a voltagem de saída convertida, através de umcircuito a uma linha comum, inclui conectar a voltagem de saída convertida,através de diodos Zener redundantes, à linha comum.
21. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizadopelo fato de compreender impedir a voltagem de saída convertida de alcançara conexão de saída conformável à prova de chama quando a correnteassociada à voltagem de saída convertida exceder uma corrente máxima desaída predeterminada.
22. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de que, impedir a voltagem de saída convertida de alcançar aconexão de saída conformável à prova de chama quando a corrente associadaà voltagem de saída convertida exceder uma corrente de saída máximapredeterminada, inclui formar um circuito aberto quando a corrente associadaà voltagem de saída convertida exceder a corrente máxima predeterminada.
23. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizadopelo fato de que formar um circuito aberto inclui usar um fusível.
24. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizadopelo fato de que o alojamento à prova de chama inclui uma conexão deentrada conformável à prova de chama adicional, uma conexão de saídaconformável à prova de chama adicional e uma linha de conexão seestendendo entre a conexão de entrada adicional e a conexão de saídaadicional, o método compreendendo, adicionalmente, limitar a voltagemsobre a linha de conexão para ser menor ou igual à voltagem de saídamáxima.
25. Método de acordo com a reivindicação 24, caracterizadopelo fato de que limitar a voltagem sobre a linha de conexão inclui conectar alinha de conexão à voltagem de saída convertida, de modo que a voltagem delinha de conexão não exceda a voltagem de saída convertida.
26. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizadopelo fato de que conectar a linha de conexão à voltagem de saída convertidainclui conectar a linha de conexão à voltagem de saída convertida através deum diodo.
27. Método de acordo com a reivindicação 24, caracterizadopelo fato de compreender conectar operacionalmente a linha de conexão auma linha comum, de modo que a voltagem de linha de conexão não caiaabaixo do terra.
28. Método de acordo com a reivindicação 27, caracterizadopelo fato de que conectar operacionalmente a linha de conexão a uma linhacomum inclui conectar a linha de conexão à linha comum através de umdiodo.
29. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizadopelo fato de compreender conectar a conexão de saída a partir do alojamento àprova de chama a um alojamento não à prova de chama, de modo que osinstrumentos elétricos dispostos dentro do alojamento não à prova de chamafiquem conectados operacionalmente à conexão de saída.
30. Painel de controle local para um dispositivo de controle deprocesso localizado em um ambiente de risco, caracterizado pelo fato decompreender:um alojamento à prova de chama;uma conexão de entrada conformável à prova de chamadisposta através do alojamento à prova de chama para receber um fio paraconectar o aparelho à prova de chama a uma fonte de energia externa;uma conexão de saída conformável à prova de chama dispostaatravés do alojamento à prova de chama e tendo uma linha de fonte devoltagem;um alojamento não à prova de chama;um dispositivo de entrada disposto dentro do alojamento não àprova de chama e configurado para receber entrada a partir de um usuário;circuito de comunicações disposto dentro do alojamento econectado operacionalmente ao dispositivo de entrada, o circuito decomunicações configurado para detectar uma entrada recebida de um usuáriono dispositivo de entrada e para controlar a operação de um dispositivo decontrole de processo a ser controlada pelo painel de controle local em respostaà detecção da entrada por um usuário no dispositivo de entrada, onde a linhade entrada de voltagem se estende através da parede externa do alojamentonão à prova de chama e está conectada operacionalmente ao circuito decomunicações e ao dispositivo de entrada;uma linha de conexão conectada operacionalmente ao circuitode comunicações e configurada para conexão a um dispositivo de controle deprocesso a ser controlado pelo painel local, a linha de conexão se estendendoatravés do alojamento não à prova de chama; ecircuito disposto dentro do alojamento à prova de chama paraconverter a voltagem a partir da fonte de energia externa para uma voltagemde saída de conversor menor ou igual a uma voltagem de saída máximapredeterminada, para emitir à voltagem de saída de conversor sobre a linha efonte de voltagem, e para limitar a voltagem de saída na linha de fonte devoltagem de modo a ser menor ou igual à voltagem de saída máxima.
31. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 30,caracterizado pelo fato de que o circuito incluído dentro do alojamento àprova de chama compreende:um conversor de voltagem tendo uma entrada de conversorconectada à conexão de entrada conformável à prova de chama e tendo umasaída de conversor, onde o conversor de voltagem converte a voltagem apartir da voltagem de fonte de energia externa para uma voltagem de saída deconversor menor ou igual à voltagem de saída máxima; euma barreira limitadora de energia conectadaoperacionalmente à saída de conversor e uma saída de barreira conectadaoperacionalmente à linha de fonte de voltagem, a barreira limitadora deenergia compreendendo um circuito limitador para limitar a voltagem de saídana linha de fonte de voltagem de modo a ser menor ou igual à voltagem desaída máxima.
32. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 31,caracterizado pelo fato de que o circuito limitador inclui um dispositivolimitador de voltagem disposto entre a saída de conversor e uma linhacomum, de modo que o dispositivo limitador de voltagem conecte a saída deconversor à linha comum quando a voltagem de saída de conversor exceder avoltagem de saída máxima.
33. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 31,caracterizado pelo fato de que o circuito limitador inclui um dispositivolimitador de corrente conectado com a saída de conversor, onde o dispositivolimitador de corrente opera para formar um circuito aberto quando a correntea partir do conversor exceder uma corrente de saída predeterminada.
34. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 31,caracterizado pelo fato de que o alojamento à prova de chama inclui umaconexão adicional de entrada conformável à prova de chama e uma conexãoadicional, de saída conformável à prova de chama onde a linha de conexão seestende entre a conexão de entrada conformável à prova de chama adicional ea conexão de saída conformável à prova de chama adicional, o circuito dentrodo alojamento à prova de chama compreendendo um circuito limitadoradicional conectado operacionalmente à linha de conexão e configurado paralimitar a voltagem de linha de conexão para ser menor ou igual à voltagem desaída máxima.
35. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 34,caracterizado pelo fato de que o circuito limitador adicional conecta a linha deconexão à saída de barreira, de modo que a voltagem de linha de conexão nãoexceda a voltagem de saída na saída de barreira.
36. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 34,caracterizado pelo fato de que o circuito limitador adicional conecta a linha deconexão a uma linha comum, de modo que a voltagem de linha de conexãonão caia abaixo de uma voltagem sobre a linha comum.
37. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 31,caracterizado pelo fato de compreender um dispositivo de saída conectadooperacionalmente ao circuito de comunicação, onde o circuito decomunicação é configurado para fazer o dispositivo de saída emitir a umaindicação visual do status de um dispositivo de controle de processo a sercontrolado pelo painel de controle local.
38. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 30,caracterizado pelo fato de compreender:uma conexão de entrada conformável à prova de chamaadicional disposta através do alojamento à prova de chama para receber umfio para conectar o painel de controle local a uma fonte de energia externaadicional;uma conexão de saída conformável à prova de chama adicionaldisposta através do alojamento à prova de chama e tendo uma linha de fontede voltagem adicional;circuito adicional disposto dentro do alojamento à prova dechama para converter a voltagem a partir da fonte de energia externa adicionalpara uma voltagem de saída de conversor adicional menor do que, ou igual àvoltagem de saída máxima, para emitir à voltagem de saída de conversoradicional sobre a linha de fonte de voltagem adicional, e para limitar avoltagem de saída na linha de fonte de voltagem adicional de modo a sermenor ou igual à voltagem de saída máxima; eum comutador disposto dentro do alojamento não à prova dechama e conectado operacionalmente às linhas de fonte de voltagem, aocircuito de comunicações, e ao dispositivo de entrada, onde o comutador éoperável para conectar alternativamente uma das linhas de fonte de voltagemao circuito de comunicações e ao dispositivo de entrada.
39. Painel de controle local de acordo com a reivindicação 30,caracterizado pelo fato de que o circuito de comunicações é configurado paracontrolar a operação de uma válvula de desligamento de emergência emresposta à entrada de detecção no dispositivo de entrada.
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