PL244261B1 - Terminal sterowniczy do zastosowań w przestrzeniach zagrożonych wybuchem - Google Patents

Abstract

Terminal sterowniczy w wykonaniu przeciwwybuchowym do zastosowań w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów, par cieczy i aerozoli palnych, oraz w atmosferach szkodliwych dla sprzętu elektronicznego mający postać skrzyni hermetycznej zawierającej jednostkę sterującą iskrobezpieczny zasilacz sieciowy AC/DC, rejestrator, interfejsy liniowe, charakteryzuje się tym, że zawiera główną hermetyczną skrzynię (1), odrębną skrzynkę komutacji obwodów sygnałowych (3), połączoną z główną skrzynią (1) za pomocą hermetycznego przepustu kabla metalowego (13) i hermetycznego przepustu kabla optycznego (14) oraz odrębną skrzynkę kontroli ciśnienia i blokady zasilania (2), w wykonaniu przeciwwybuchowym, połączoną z główną skrzynią (1) za pomocą hermetycznego przepustu kablowego (15), przepustów gazowych (16, 17, 18 i 19), przy czym wlot przepustu gazowego (17) jest związany z gazowym zaworem odcinającym (20), wlot przepustu gazowego (18) związany jest z wężykiem gazowym (21), wlot którego z kolei jest usytuowany w górnej części głównej skrzyni (1), wylot przepustu gazowego (19) jest związany z wlotem rozdzielacza gazowego (22), jeden z wylotów którego jest związany z wypustowym zaworem (23), drugi wylot jest związany z presostatem (24), trzeci z presostatem (25), a czwarty wylot jest podłączy do manometru (26).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest terminal sterowniczy w wykonaniu przeciwwybuchowym do zastosowań w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów, par cieczy i aerozoli palnych, pyłów, a także w atmosferach szkodliwych dla sprzętu elektronicznego.

Nowoczesne systemy monitoringu i sterowania procesami technologicznymi w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, petrochemicznym, spożywczym oraz w przemysłach wydobywczych, w przestrzeniach, gdzie istnieją wymienione zagrożenia mają wykonanie przeciwwybuchowe.

Jednym ze znanych sposobów zapewnienia przeciwwybuchowości urządzeń elektronicznych funkcjonujących w strefach zagrożonych wybuchem jest osłona gazowa z nadciśnieniem typu ”p”. Wymagania w stosunku do osłon gazowych z nadciśnieniem precyzuje norma PN-EN 60079-2 pt.: ”A tmosfery wybuchowe - Część 2: Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłon gazowych z nadciśnieniem ”p”.

Realizacja techniczna tego sposobu polega na umieszczeniu urządzenia elektrycznego wewnątrz obudowy, w której panuje nadciśnienie gazu obojętnego w stosunku do otaczającej atmosfery. Uniemożliwia to przedostawanie się medium wybuchowego do wewnątrz obudowy i inicjacji jego zapalenia w sposób elektryczny lub termiczny.

Znane są rozwiązania konstrukcyjne urządzeń elektronicznych, realizujące ten sposób zapewniania przeciwwybuchowości za pomocą dynamicznego lub statycznego nadciśnienia. Tak, na przykład, według konstrukcyjnego rozwiązania, znanego z opisu patentowego US 5101710, ochrona urządz enia elektrycznego, zainstalowanego w strefie zagrożonej wybuchem gazów lub par cieczy palnych, dokonuje się za pomocą przedmuchiwania obudowy czystym powietrzem lub gazem obojętnym. Wadą tego rozwiązania jest to, że aparatura kontrolno-pomiarowa systemu przedmuchiwania oraz źródło gazu ochronnego są zainstalowane poza obudową chronioną. Stwarza to niedogodności produkcyjne oraz eksploatacyjne, zwłaszcza przy realizacji ochrony przeciwwybuchowej pomiarowych urządzeń przenośnych, skomputeryzowanych terminali systemów kontroli parametrów bezpieczeństwa itp.

Z opisu patentowego US 4894748 znane jest rozwiązanie terminala sterującego do lokalizacji w strefach zagrożonych wybuchem, wg którego urządzenie elektroniczne, na przykład monitor komputerowy, umieszczony jest w hermetycznej obudowie w której jest podtrzymywane dodatnie nadciśnienie atmosfery wewnętrznej zapobiegające przedostanie się do wewnątrz atmosfery zewnętrznej. Kontroli nadciśnienia i blokadę zasilania dokonuje się za pomocą mechanicznego wyłącznika ciśnieniowego. Czyste powietrze lub gaz obojętny do wnętrza obudowy jest doprowadzany do wnętrza obudowy od zewnętrznego źródła medium ochronnych, a ich ciśnienie wewnątrz obudowy jest kontrolowane i podtrzymywane za pomocą dwóch czujników ciśnienia, sterującymi elektromechanicznym zaworem, który steruje dopływem ochronnych medium do wnętrza obudowy.

Wada tej konstrukcji jest konieczność dysponowania odrębnym źródłem gazów ochronnych oraz brak jakichkolwiek opcji diagnostycznych i sygnalizacyjnych ułatwiających eksploatację tego urządzenia.

Znane jest również, wg zgłoszenia patentowego WO 2005/036678 A1, rozwiązanie przenośnego elektrycznego przyrządu adaptowanego dla wykorzystania w strefach zagrożonych wybuchem. W tym rozwiązaniu przenośny przyrząd pomiarowy jest zahermetyzowany i zawiera własne źródło sprężonego gazu ochronnego w postaci małej butli lub przyrząd ten może być podłączony do odrębnego zewnętrznego źródła gazu sprężonego. Butla ze skompresowanym gazem jest umieszczona w odrębnej komorze, która jest częścią wspólnej obudowy przenośnego przyrządu. Zasilająca bateria jest również zainstalowana w osobnym przedziale obudowy przyrządu i, w przypadku spadku ciśnienia ochronnego gazu wewnątrz obudowy poniżej ustalonego progu, dokonuje się energetyczna separacja tej baterii za pomocą wyłącznika ciśnieniowego. Wadą takiego rozwiązania jest brak interaktywnej współpracy przyrządu z innymi iskrobezpiecznymi terminalami, na przykład, telekomunikacyjnymi, kontroli parametrów bezpieczeństwa oraz procesów technologicznych.

Znane są również, z katalogów ofertowych niemieckiej firmy R. STAHL, rozwiązania różnorakich przyrządów pomiarowych i monitorów diagnostycznych systemów automatyki przemysłowej w wykonaniu przeciwwybuchowym typu Ex-p. Obudowy tych urządzeń są implementowane do konkretnych urządzeń automatyki przemysłowej i nie mogą być stosowane jako obudowy uniwersalne dla ochrony przeciwwybuchowej urządzeń elektronicznych, stosowanych w strefach zagrożonych wybuchem, na przykład w przemyśle wydobywczym. Dotyczy to również urządzeń elektrycznych w wykonaniu przeciwwybuchowym typu Ex-p innych producentów, takich jak Gonnheimer Elektronie GmbH, PEPPERL+ FUCHS, BARTEC, Techno/'.

Z katalogów produkcyjnych firmy SIGRIST” znane są obudowy ze stali nierdzewnej, przeznaczone do ochrony fotometrów, instalowanych w strefach zagrożonych wybuchem, posiadające cechy uniwersalności: obudowy te zapewniają ochronę przeciwwybuchową typu Ex-p z wykorzystaniem zewnętrznego źródła gazu ochronnego dla ciągłego przedmuchiwania elektrycznej instalacji wewnętrznej.

Z opisu patentowego PL 210337 znana jest konstrukcja obudowy urządzeń elektronicznych do zastosowań w strefach zagrożonych wybuchem, wg którego urządzenia elektroniczne są umieszczone w hermetycznej skrzynce ze stali nierdzewnej lub z antystatycznego tworzywa. Wewnątrz hermetycznej skrzynki jest zainstalowana butla ze sprzężonym gazem obojętnym, z ręczne sterowanym wentylem i reduktorem ciśnienia, z którego gaz obojętny jest doprowadzany przez czujnik przepływu gazu do jej wewnętrznej przestrzeni. Wewnątrz hermetycznej skrzynki jest zainstalowany wyłącznik zasilania, którego przycisk, razem z pokrętłem wentyla znajduje się na zewnętrznej ściance tej skrzyni. Do wejścia wymienionego wyłącznika doprowadzane jest zewnętrzne lub autonomiczne źródło energii elektrycznej, a jego wyjście jest równolegle związane z wejściem iskrobezpiecznego zasilacza i mechanicznego wyłącznika ciśnieniowego. Wyjście iskrobezpiecznego zasilacza związane jest z wejściami zasilając ymi czujnika przepływu gazu, czujnika ciśnienia, wyświetlacza, sygnalizatora akustyczno-optycznego, elektromechanicznego zaworu przewietrzania i mikroprocesora sterującego, z odpowiednimi portami którego są związane wyjścia czujnika przepływu gazu, ciśnienia, czujnika tlenu oraz wejścia wyświetlacza, sygnalizatora akustyczno-optycznego, wejście sterujące elektromechanicznego zaworu przewietrzania oraz wejście sterujące elektronicznego wyłącznika zasilania, którego wejście jest związane z wyjściem wyżej wymienionego mechanicznego wyłącznika ciśnieniowego, a wyjście jest przeznaczone do podłączenia chronionych nieiskrobezpiecznych urządzeń elektronicznych. W czołowej ściance skrzynki zainstalowane jest obserwacyjne okienko.

Wada tego rozwiązania jest zbyt skomplikowana konstrukcja oraz trudność jej realizacji technicznej według wymagań Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady ATEX 114 (2014/34/UE) oraz zharmonizowanych z nią norm: PN -EN 60079-0 (Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów. Część 0: Wymagania ogólne) i PN-EN 60079-2 (Atmosfery wybuchowe - Część 2. Zabezpieczenie urządzeń za pomocą osłon gazowych z nadciśnieniem p).

Przy zasilaniu wewnętrznych urządzeń elektronicznych od jednego zewnętrznego iskrobezpiecznego źródła zasilania, brak jest możliwości realizowania zasilania urządzeń elektronicznych o poborze mocy powyżej 30 W, ponieważ nie istnieją iskrobezpieczne zasilacze ia lub ib o wydajności powyżej 30 W (PN-EN 60079-11 pt.: Atmosfery wybuchowe - Część 11: Zabezpieczenie urządzeń za pomocą iskrobezpieczeństwa i). Stosowanie wewnętrznego autonomicznego, na przykład elektrochemicznego, źródła zasilania również jest związanie z trudnościami spełnienia wymagań wyżej wymienionych norm. Natomiast przy zasilaniu od sieci energetycznej budowa nie uwzględnia wymagania normy PN-EN 60079-0 w stosunku do wpustów kablowych. Oprócz wyżej wymienionych wad należy również zaznaczyć problem zapewnienia hermetyczności obudowy wskutek umieszczenia przycisku wyłącznika zasilania oraz pokrętła wentyla na zewnętrznej ściance obudowy. Kolejną wadą tej konstrukcji jest konieczność instalacji odrębnego źródła gazu ochronnego co znacząco podwyższa jego cenę oraz niedogodność funkcjonalną pod względem Dyrektywy 2014/68/UE, tzw. Dyrektywy ciśnieniowej.

Celem wynalazku jest usunięcie powyższych wad i niedogodności przez opracowanie nowej konstrukcji terminalu sterującego do zastosowań w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów, parów cieczy i aerozoli palnych oraz pyłów, jak również w atmosferach szkodliwych dla sprzętu elektronicznego, zapewniającej poziom ochrony przeciwwybuchowej Ex-p według norm PN-EN 60079-0, PN-EN 60079-1, PN-EN 60079-2 oraz PN-EN 60079-11.

Terminal sterowniczy do zastosowań w strefach zagrożonych wybuchem, składający z głównej hermetycznej skrzyni, skrzynki kontroli ciśnienia i blokady zasilania oraz skrzynki komutacji iskrobezpiecznych obwodów sygnałowych, przy czym hermetyczna skrzynia główna ma wykonanie przeciwwybuchowe typu Exp (według wymagań normy PN-EN 60079-2), skrzynka kontroli ciśnienia i blokady zasilania posiada wykonanie przeciwwybuchowe typu Exe (według wymagań normy PN-EN 60079-7), a skrzynka komutacji obwodów sygnałowych jest przeznaczona dla przyłączenia iskrobezpiecznych obwodów elektrycznych lub optycznych. Główna hermetyczna skrzynia zawiera panel czołową z hartowaną warstwową szybą ochronną, interfejs dotykowy, monitor LED lub OLED, jednostkę sterującą, zasilacz AC/DC (ew. drugi zasilacz), rejestrator, interfejsy liniowe (kabli optycznych i metalowych), przepusty kablowe, gazowy przepust wpustowy i wypustowy, gazowy wężyk wypustowy. Tylna pokrywa skrzyni wykonana w postaci paneli, która jest związana z korpusem głównej skrzyni za pomocą łączenia śrubowego z uszczelnieniem za pomocą masy hermetyzującej. Natomiast skrzynka kontroli ciśnienia i blokady zasilania zawiera wpust kablowy do podłączenia zewnętrznego źródła zasilania, zasilacz fotowoltaiczny, dwa półprzewodnikowe przekaźniki SSD, hermetyczny przepust kablowy, łączący pierwszą skrzynkę z hermetyczną skrzynią główną, gazowy zawór odcinający, dwa przepusty gazowe, rozdzielacz gazowy, manometr, dwa presostaty, wypustowy zawór kulkowy. Skrzynka komutacji obwodów sygnałowych zawiera wpust kabla metalowego, wpust kabla optycznego, listwę złącz żył metalowych, listwę łączników włókien optycznych, hermetyczny przepust dla żył metalowych, hermetyczny przepust dla włókien optycznych.

W stanie normalnej pracy w głównej hermetycznej skrzyni jest podtrzymywane lekkie statyczne nadciśnienie gazu obojętnego, cięższym niż powietrze, w stosunku do atmosfery zewnętrznej (powyżej 50 Pa według wymagań normy PN-EN 60079-2), zapobiegające przedostanie się do wewnątrz atmosfery zewnętrznej. Kontroli nadciśnienia i blokadę zasilania dokonuje się za pomocą dwóch presostatów ciśnieniowych, których kontakty elektryczne są szeregowo połączone w iskrobezpiecznym obwodzie sterującym: biegun dodatni iskrobezpiecznego fotowoltaicznego zasilacza - szeregowo połączone obwody sterujące dwóch przekaźników SSD - szeregowo połączone elektryczne kontakty wspomnianych presostatów - biegun ujemny wspomnianego fotowoltaicznego zasilacza. Wymieniony zasilacz zapewnia separację galwaniczną pomiędzy iskrobezpiecznym obwodem wyjściowym a nieiskrobezpiecznym obwodem wejściowym, zasilanym z zewnętrznego źródła, według wymagań normy PN-EN 60079-11. W przypadku rozszczepienia głównej skrzyni i spadku wewnętrznego ciśnienia poniżej ustawionego progu elektryczny kontakt jednego z presostatów przechodzi w stan rozwarcia, co skutkuje brakiem prądu w obwodach sterujących przekaźników SSD, a za tym blokadą zasilania głównej skrzyni, zapewniając przy tym ochronę przeciwwybuchową Ex-p, według wymagań normy PN-EN 60079-2.

Przedmiot wynalazku jest dokładniej przedstawiony poniżej, w oparciu o rysunek, przedstawiający schemat funkcjonalny terminalu sterowniczego.

Terminal sterowniczy w wykonaniu przeciwwybuchowym do zastosowań w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów, par cieczy i aerozoli palnych oraz pyłów składa się z głównej hermetycznej skrzyni 1, skrzynki kontroli ciśnienia i blokady zasilania 2 i skrzynki komutacji iskrobezpiecznych obwodów sygnałowych 3. Panel czołowa głównej skrzyni 1 zawiera okno z gniazdem, w którym jest wklejona hartowana warstwowa szyba ochronna 4, do której z kolei są przymocowany jest interfejs dotykowy 5 oraz monitor LED lub OLED 6. Panel tylny 7 głównej skrzyni 1 jest przymocowany do korpusu głównej skrzyni 1 za pomocą łączenia śrubowego z uszczelnieniem za pomocą masy hermetyzującej. Wewnątrz hermetycznej skrzyni 1 są zainstalowane podzespoły elektroniczne, związane z sobą w odpowiedni sposób, - jednostka sterująca 8, z portami której są związane monitor LED lub OLED 6, rejestrator 9, interfejs sygnałowy żył metalowych 10, interfejs sygnałowy włókien optycznych 11. Zasilanie wymienionych podzespołów elektronicznych dokonuje się z zasilacza AC/DC 12. Główna skrzynia 1 jest związana ze skrzynką komutacji obwodów sygnałowych 3 poprzez hermetyczny przepust kabla metalowego 13 i hermetyczny przepust kabla optycznego 14 oraz ze skrzynką kontroli ciśnienia i blokady zasilania 2 poprzez hermetyczny przepust kabla zasilającego 15, przepusty gazowe 16, 17, 18 i 19, przy czym przepusty gazowe 16 i 18 są zainstalowane w ściance skrzyni głównej 1, a przepusty gazowe 17 i 19 są zainstalowane w ściance skrzynki kontroli ciśnienia i blokady zasilania 2, wlot przepustu gazowego 17 jest związany z gazowym zaworem odcinającym 20, wlot przepustu gazowego 18 związany jest z wężykiem gazowym 21, wlot którego z kolei jest usytuowany w górnej części głównej skrzyni 1, wylot przepustu gazowego 19 jest związany z wlotem rozdzielacza gazowego 22, jeden z wylotów którego jest związany z wypustowym zaworem 23, drugi wylot jest związany z presostatem 24, trzeci z presostatem 25, a czwarty wylot jest podłączy do manometru 26, przy czym elektryczne kontakty wymienionych presostatów 24 i 25 są szeregowo włączone w iskrobezpieczny obwód wyjściowy fotowoltaicznego zasilacza 27: biegun dodatni wymienionego zasilacza 27 - szeregowo połączone obwody sterowania półprzewodnikowych przekaźników SSD 28 i 29 - elektryczne kontakty presostatów 24 i 25 - biegun ujemny zasilacza 27. Z kolei każdy z roboczych złącz wymienionych przekaźników SSD 28 i 29 odpowiednio włączone w przewody zasilania od zewnętrznego źródła, doprowadzane do skrzynki kontroli ciśnienia i blokady zasilania 2 poprzez wpust kabla zasilającego 30, a zatem doprowadzane do skrzyni głównej 1 przez hermetyczny kabla zasilającego 15. Skrzynka komutacji obwodów sygnałowych 3 zawiera również wpust kabla metalowego 31, wpust kabla optycznego 32, listwę złącz żył metalowych 33 oraz listwę łączników włókien optycznych 34.

Terminal sterowniczy w wykonaniu przeciwwybuchowym do zastosowań w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów, par cieczy i aerozoli palnych oraz pyłów funkcjonuje w sposób następujący. Gaz z butli sprzężonego gazu obojętnego, cięższym niż powietrze, przez gazowy zawór odcinający 20 oraz przepusty gazowe 16 i 17 jest doprowadzany do hermetycznej skrzyni głównej 1, z której atmosfera wewnętrzna jest wyciskana przez wlot wężyka gazowego 21, umieszczonego w górnej części tej skrzyni, przepust gazowy 18, przepust gazowy 19, rozdzielacz gazowy 22 oraz wypustowy zawór 23. Proces napełniania hermetycznej skrzyni głównej 1 gazem obojętnym dokonuje się do chwili kiedy na wylocie wypustowego zaworu 23 stężenie tlenu w wyprowadzanym gazie stanie niższe niż 1% objętościowo. Zatem zamyka się wypustowy zawór 23, a proces napełnienia kontynuuje się do chwili kiedy nadciśnienie atmosfery wewnętrznej w skrzyni głównej 1 w stosunku do atmosfery zewnętrznej osiągnie próg ustalony. Przy tym presostaty 24 i 25 zwierają swoje kontakty elektryczne co wywołuje przepływ iskrobezpiecznego prądu w obwodzie: biegun dodatni zasilacza 27 - szeregowo połączone obwody sterowania półprzewodnikowych przekaźników SSD 28 i 29 - elektryczne kontakty presostatów 24 i 25 - biegun ujemny zasilacza 27. Przepływ prądu w tym obwodzie skutkuje zwieraniem roboczych złącz przekaźników SSD 28 i 29 i zasilaniem podzespołów elektronicznych zainstalowanych w hermetycznej głównej skrzyni 1. W przypadku jej rozszczelnienia i spadku wewnętrznego ciśnienia poniżej ustalonego progu elektryczny kontakt jednego lub obu z wymienionych presostatów 28 i 29 przechodzi w stan rozwarcia, co skutkuje brakiem prądu w obwodach sterujących przekaźników SSD 28 i 29, a za tym blokadą zasilania głównej skrzyni, zapewniając przy tym ochronę przeciwwybuchową Ex-p, według wymagań normy PN-EN 60079-2.

Claims (3)

1. Terminal sterowniczy w wykonaniu przeciwwybuchowym do zastosowań w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów, par cieczy i aerozoli palnych, oraz w atmosferach szkodliwych dla sprzętu elektronicznego mający postać skrzyni hermetycznej zawierającej jednostkę sterującą, iskrobezpieczny zasilacz sieciowy AC/DC, rejestrator, interfejsy liniowe, znamienny tym, że zawiera główną hermetyczną skrzynię (1), odrębną skrzynkę komutacji obwodów sygnałowych (3), połączoną z główną skrzynią (1) za pomocą hermetycznego przepustu kabla metalowego (13) i hermetycznego przepustu kabla optycznego (14) oraz odrębną skrzynkę kontroli ciśnienia i blokady zasilania (2), w wykonaniu przeciwwybuchowym, połączoną z główną skrzynią (1) za pomocą hermetycznego przepustu kablowego (15), przepustów gazowych (16), (17), (18) i (19), przy czym wlot przepustu gazowego (17) jest związany z gazowym zaworem odcinającym (20), wlot przepustu gazowego (18) związany jest z wężykiem gazowym (21), wlot którego z kolei jest usytuowany w górnej części głównej skrzyni (1), wylot przepustu gazowego (19) jest związany z wlotem rozdzielacza gazowego (22), jeden z wylotów którego jest związany z wypustowym zaworem (23), drugi wylot jest związany z presostatem (24), trzeci z presostatem (25), a czwarty wylot jest podłączy do manometru (26).

2. Terminal według zastrz. 1, znamienny tym, że panel czołowa głównej hermetycznej skrzyni (1) zawiera okno z gniazdem, w którym jest wklejona hartowana warstwowa szyba ochronna (4), do której z kolei są przymocowane interfejs dotykowy (5) oraz monitor LED lub OLED (6). Panel tylna (7) głównej skrzyni hermetycznej (1) jest związana z korpusem głównej skrzyni (1) za pomocą łączenia śrubowego z uszczelnieniem za pomocą masy hermetyzującej.

3. Terminal według zastrz. 1, znamienny tym, że skrzynka kontroli ciśnienia i blokady zasilania (2) zawiera fotowoltaiczny zasilacz (27), którego wejście jest związane z wyjściem wpustu kablowego (30), a w jego iskrobezpieczny obwód wyjściowy są szeregowo włączone elektryczne kontakty presostatów (24) i (25) oraz obwody sterowania półprzewodnikowych przekaźników SSD (28) i (29), robocze złącza których są włączone w przewody łączące wpust kablowy (30) i hermetyczny przepust kablowy (15).