Systemy gazometryczne funkcjonalność i bezpieczeństwo funkcjonalne

Transkrypt

1 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) Stanisław Trzcionka Systemy gazometryczne funkcjonalność i bezpieczeństwo funkcjonalne Gas measuring systems functionality and functional safety Streszczenie. Artykuł omawia systemy eksplozymetryczne pod kątem korzyści jakie wnosi ta aparatura w proces aktywnego zwalczania zagrożenia wybuchem gazów i par cieczy palnych. Zawiera również informacje o wymaganiach stawianych systemom w procesie badania typu WE. Omawia także kwestie niezawodności systemów inspirowane europejską polityką normalizacyjną, kładącą silny nacisk na niezawodność urządzeń elektronicznych szczególnie tych, które pracują pod kontrolą oprogramowania służących zapewnieniu bezpieczeństwa Abstract. The article subjects explosimetric systems in the light of benefits this apparatus brings into the process of active fight of gases and flammable vapours explosion hazard. It contains information about requirements set for systems in the process of WE type examination. The article also subjects the matter of systems' reliability inspired by European normalization policy, that puts special attention on safety related electronic devices' reliability - especially those, which work under software control. 1. WPROWADZENIE Dyrektywa 1999/92/EC [1] (ATEX USER) określa minimalne wymagania, które powinien spełnić pracodawca, w którego zakładzie może wystąpić atmosfera wybuchowa. Jej celem jest ujednolicenie poziomu bezpieczeństwa przeciwwybuchowego we wszystkich krajach członkowskich Unii Europejskiej. Do polskiego porządku prawnego dyrektywa została wprowadzona rozporządzeniem [2]. Pracodawca jest zobowiązany do posiadania i okresowej aktualizacji dokumentu zabezpieczenia stanowiska pracy przed wybuchem. Dokument powinien zawierać: informacje o identyfikacji atmosfer wybuchowych i ocenę ryzyka wystąpienia wybuchu, informacje o podjętych środkach zapobiegających wystąpieniu zagrożeń wybuchem, wykaz miejsc pracy zagrożonych wybuchem wraz z ich klasyfikacją, deklarację, że stanowiska i narzędzia pracy, a także urządzenia zabezpieczające i alarmujące są zaprojektowane, używane i konserwowane z uwzględnieniem zasad bezpieczeństwa. Rozporządzenie nie określa formularza dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem ani nie precyzuje metodyki jego opracowania. Wynika to z dużej różnorodności stanowisk na których może wystąpić zagrożenie wybuchem, co utrudnia unifikację dokumentu zabezpieczenia przed wybuchem. Trudności sprawia również właściwa ocena danych wejściowych do procedur oceny ryzyka, a od tego zależą ich wyniki. Pomimo wielu prób ujednolicenia metodyki oceny ryzyka wybuchu pozostaje szereg wątpliwości. Szczególnie w miejscach, w których kryteria jakościowe należy wyrazić liczbowo. Na przykład, o ile zmniejszy się ryzyko wybuchu po wprowadzeniu ciągłego monitorowania stanowisk pracy za pomocą stacjonarnego systemu eksplozymetrycznego? Zwyczajowo przyjmuje się, że ryzyko zmniejszy się o rząd. Takie podejście abstrahuje od dwóch istotnych kwestii: roli, jaką system pełni w procedurach bezpieczeństwa stosowanych w danej aplikacji, jakości i poziomu niezawodności systemu. Na przykład, bezpieczeństwo przeciwwybuchowe podziemnych wyrobisk kopalń metanowych jest w zdecydowanej mierze oparte na systemach metanometrycznych. W kopalni, metan wydobywa się z odkrytej calizny węglowej, zrobów i zalegającego lub transportowanego urobku. Dzięki systemowi metanometrii, dyspozytor może śledzić poziom zagrożenia wybuchem i informować właściwe służby kopalni o konieczności podjęcia działań prewencyjnych, np. intensyfikacji przewietrzania zagrożonych wyrobisk, aby utrzymać stężenie metanu na akceptowalnym poziome, a gdy staje się to niemożliwe, system zapewnia wyłączenie potencjalnych inicjałów wybuchu, pochodzących od urządzeń elektrycznych. Jakość i poziom niezawodności systemu zależy od producenta, ale również od użytkownika. Nawet najlepsze systemy źle zainstalowane, eksploatowane lub konserwowane tracą swoje zdolności do spełniania funkcji związanych z bezpieczeństwem. Artykuł został opracowany w ramach Programu Wieloletniego V.B.16, koordynowanego przez Centralny Instytut Ochrony Pracy pt.: Opracowanie metody przypisania poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa SIL dla typowych, związanych z bezpieczeństwem elektrycznych systemów sterowania maszynami i urządzeniami w górnictwie węgla kamiennego.

2 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) 2 CHARAKTERYSTYKA SYSTEMÓW EKS- PLOZYMETRYCZNYCH Stosowanie systemów eksplozymetrycznych do zabezpieczania przestrzeni zagrożonych wybuchem umożliwia podniesienie bezpieczeństwa realizowanych tam procesów technologicznych. System eksplozymetryczny zapewnia: wykrywanie obecności lotnych substancji palnych w powietrzu, monitorowanie stopnia zagrożenia wybuchem, jeżeli jest wyskalowany w ułamku procentowym dolnej granicy wybuchowości (% DGW) substancji, której obecność wykrywa, sygnalizowanie lokalne i zdalne obecności stężeń potencjalnie niebezpiecznych, generowanie sygnałów decyzyjnych dla urządzeń wykonawczych, będących peryferiami systemu, dokumentowanie historii zagrożeń. Sterowane przez system urządzenia peryferyjne umożliwiają aktywne przeciwdziałanie zagrożeniu wybuchem przez: sterowanie strumieniem wentylacji w celu obniżenia stężeń substancji palnej w powietrzu, eliminację potencjalnych, elektrycznych źródeł zapłonu, gdy zostają przekroczone dopuszczalne wartości stężeń, zatrzymanie procesu technologicznego, jeżeli jego kontynuacja może grozić wybuchem. Klasyczny system eksplozymetryczny składa się z czujników rozmieszczonych w zabezpieczanym obszarze, linii zasilająco-transmisyjnych i jednostki centralnej (centrali). Najistotniejszym elementem systemu są czujniki, dokonujące konwersji sygnału nieelektrycznego, jakim jest stężenie gazu, na sygnał elektryczny. Od nich w dużej mierze zależą parametry metrologiczne systemu. Spośród kilkunastu metod konwersji, w praktyce przemysłowej, stosowane są dwie: katalityczne spalanie i absorpcja promieniowania elektromagnetycznego w podczerwieni. Katalityczny element czujnikowy (fot. 1a) swoją popularność zawdzięcza relatywnie niskiej cenie. Jego podstawowymi wadami są: podatność na zatrucia, brak selektywności w zbiorze gazów palnych i niezdolność do poprawnej pracy w mieszaninach o znacznym niedoborze tlenu. Przyjmuje się, że wyniki pomiarów są mało wiarygodne jeżeli stężenie tlenu w mieszaninie gazowej jest niższe od 12% v/v. Szczególnie niebezpieczna jest podatność elementu czujnikowego na zatrucia, następujące w wyniku kontaktu z niektórymi substancjami, np. silikonami, związkami ołowiu, związkami siarki (np. SO 2 ), halogenami czy estrami fosforowymi. Wynikiem zatrucia katalizatora jest silne obniżenie lub całkowita utrata czułości przetwarzania. Fakt utraty zdolności wykrywania gazów wybuchowych nie jest sygnalizowany zmianami innych parametrów i można go wykryć jedynie, sprawdzając reakcję elementu na gaz testowy o znanym stężeniu składnika palnego. Obowiązkiem producenta urządzenia jest zamieszczenie w instrukcji obsługi informacji o substancjach mogących zatruć katalizator czujnika. Brak selektywności katalitycznego elementu czujnikowego w zbiorze gazów wybuchowych, objawia się tym, że reaguje on na obecność innych gazów palnych niż gaz mierzony, zawyżając wskazania, przy czym nie jest to skorelowane z ich dolnymi granicami wybuchowości. Czyli sygnał czujnika nie informuje o rzeczywistym zagrożeniu pochodzącym od tych gazów. Dlatego stosowanie czujnika katalitycznego w mieszaninie gazów wybuchowych wymaga dodatkowych zabiegów kalibracyjnych. Jeżeli jeden ze składników mieszaniny jest zdecydowanie dominujący to czujnik jest kalibrowany na ten składnik. Jeżeli mieszanina zawiera kilka gazów o podobnych stężeniach lub skład mieszaniny zmienia się w czasie, to czujnik kalibruje się na gaz o najniższej DGW. Gazy niepalne, w niskich stężeniach nie oddziaływują na czujnik katalityczny. Absorpcyjny (IR) element czujnikowy (fot. 1b) jest ceniony za znacznie lepszą selektywność (chociaż pasma maka) b) Fot. 1. Katalityczny (a) i absorpcyjny (b) element czujnikowy

3 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) symalnej absorpcji węglowodorów nienasyconych leżą bardzo blisko siebie i zachowanie pełnej selektywności jest bardzo trudne). Czujnik IR nie ulega zatruciom. Odpowiada natomiast słabym, nieliniowym oraz podatnym na wpływy temperatury, ciśnienia i wilgotności sygnałem, którego obróbka wymaga bardziej rozbudowanej elektroniki. Ponadto jest droższy niż czujnik katalityczny. Zadaniem linii zasilająco-transmisyjnych jest dostarczenie do czujnika zasilania i transmisja sygnału pomiarowego do jednostki centralnej. W tym elemencie systemu zachodzą istotne zmiany. W starszych systemach stosowano kilkużyłowe kable, rozchodzące się promieniście od jednostki centralnej do rozmieszczonych na obiekcie czujników. Sygnał był transmitowany w standardzie prądowym (od 4 do 20 ma), napięciowym lub częstotliwościowym. W niektórych systemach odległości czujnika od centrali dochodzą do 10 km. W nowszych rozwiązaniach stosowana jest transmisja cyfrowa w standardzie RS 232C, RS 485 lub protokołem opracowanym przez producenta systemu. Jeżeli istnieje możliwość lokalnego zasilania czujników, łączy się je z centralą siecią LAN, gdzie dane są przesyłane w protokole EtherNet/IP, MODBUS, ControlINet, BACmet, Profibus lub innym. Pojawiają się również radiowe systemy transmisji danych pomiarowych, pracujące najczęściej w paśmie 2,4 GHz. Pozwala to, w porównaniu z rozwiązaniami starszymi, zmniejszyć koszty systemu o znaczący element, jakim są koszty okablowania. Konstrukcje jednostek centralnych również zmieniają się z czasem. Tylko w starych lub bardzo małych systemach została zachowana zasada, że każdy tor pomiarowy ma w centrali swój panel, na którym znajdują się elementy sygnalizacji optycznej, wyświetlacz wyniku i elementy nastaw wzmocnienia oraz zerowania. Nowsze centrale są bardziej zblokowane, a wszystkie sygnały przesyłane są do komputera. Zarządzanie systemem odbywa się z poziomu oprogramowania, które jest integralną częścią systemu. Umożliwia ono nie tylko uporządkowaną wizualizację wyników, ale również nadawanie uprawnień poszczególnym czujnikom, np. do wyłączania energii elektrycznej, zdalnego informowania siecią telefonii komórkowej, zestawiania czujników w grupy, czy zmiany wartości progowych. Oczywiście, działania te mogą wykonywać tylko osoby uprawnione, po zalogowaniu się do systemu, za pomocą hasła (każde logowanie jest przechowywane w historii pracy systemu). 3 WYMAGANIA STAWIANE SYSTEMOM EKSPLOZYMETRYCZNYM W PROCESIE CERTYFIKACJI Obowiązkiem producenta systemu jest wystawienie każdej jego konfiguracji znaku zgodności CE, który jest potwierdzeniem, że spełnia ona wymagania wszystkich dyrektyw, którym podlega. W deklaracji zgodności ma on obowiązek powołania się na odpowiednie certyfikaty niezależnych jednostek notyfikowanych w obszarze danych dyrektyw. Certyfikat można uzyskać, jeżeli w trakcie badania typu stwierdzono, że konfiguracja systemu spełnia wymagania wszystkich, dotyczących jej norm zharmonizowanych. Za kompletność deklaracji zgodności odpowiada producent. Potencjalny nabywca powinien sprawdzić czy producent posiada certyfikaty, które w niej wymienia. Dyrektywa ATEX [3] stawia systemom eksplozymetrycznym wyjątkowo rozbudowany zbiór wymagań. Jest to uzasadnione tym, że są one traktowane jako urządzenia zabezpieczające (załącznik II dyrektywy [3]), czyli są elementami aktywnie współtworzącymi bezpieczeństwo przeciwwybuchowe. O ile od na przykład pompy pracującej w przestrzeni zagrożonej wybuchem dyrektywa wymaga jedynie by ona sama nie byłą źródłem inicjału wybuchu, o tyle od systemu eksplozymetrycznego wymaga się również, aby niezawodnie realizował funkcje bezpieczeństwa redukujące poziom zagrożenia wybuchem. System eksplozymetryczny jest urządzeniem elektrycznym, więc podlega dyrektywie ATEX. Te jego części, które są wprowadzane do przestrzeni zagrożonej wybuchem muszą mieć budowę przeciwwybuchową, czyli muszą spełniać wymagania normy PN-EN i norm związanych. Jest to warunek konieczny ale w przypadku urządzeń zabezpieczających niewystarczający. Są to, przede wszystkim, czujniki i linie zasilająco-transmisyjne. Czujniki mają najczęściej budowę iskrobezpieczną ia zgodną z normą PN-EN i/lub ognioszczelną, spełniającą wymagania PN-EN Jednostka centralna, z uwagi na zasilanie sieciowe, jest zazwyczaj lokalizowana poza strefą zagrożoną wybuchem. Z punktu widzenia dyrektywy ATEX 100 jest tzw. urządzeniem towarzyszącym, czyli jako całość nie ma budowy przeciwwybuchowej, ale jej obwody elektryczne, wprowadzane do strefy (linie zasilająco-transmisyjne) są iskrobezpieczne, co w oznakowaniu sygnalizują nawiasy klamrowe, np. [Ex ia] IIC T6. Często proces certyfikacji prowadzony jest oddzielnie dla czujników i jednostki centralnej. Wówczas, przy zestawianiu danej konfiguracji systemu, wymagany jest dodatkowy certyfikat systemowy oparty na badaniach zgodności z wymaganiami normy PN-EN Spełnienie powyższych wymagań zapewnia, że elementy systemu, w stanach normalnej pracy i w stanach awaryjnych nie zainicjują wybuchu. I tylko tyle. Jeżeli system ma spełniać funkcje urządzenia zabezpieczającego musi być technicznie wiarygodny. Ponieważ jego podstawowym zadaniem jest pomiar stężeń gazów wybuchowych, należy sprawdzić jego parametry metrologiczne. Wymagania w tym zakresie określa norma PN-EN [8]. Określa ona wymagania dotyczące dokładności pomiarów, odporności na zmiany warunków środowiskowych (temperatury, ciśnienia, wilgotności, prędkości przepływu gazu, itp.) i innych czynników zakłócających pomiar (strasy mechaniczne, fluktuacje zasilania, zatrucia, zapylenie itd.). Ww. norma jest zharmonizowana z dyrektywą ATEX. Jeżeli system pełni funkcje urządzenia za-

4 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) bezpieczającego to fakt wykonania badań zgodności z jej wymaganiami powinien być potwierdzony w certyfikacie (pkt 9 formularza) i deklaracji CE. Dodatkowo, urządzenia eksplozymetryczne powinny spełniać wymagania normy PN-EN [5] dotyczącej kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), tak w zakresie emisji, jak i immisji promieniowania elektromagnetycznego. 4. PROBLEMY NIEZAWODNOŚCI SYSTEMU EKSPLOZYMETRYCZNEGO Po przejściu, opisanego w punkcie 3, pełnego procesu badań i certyfikacji otrzymuje się system, który nie zainicjuje wybuchu, będzie mierzył z wymaganą dokładnością w przedziałach dopuszczalnych zmian warunków środowiskowych i w obecności akceptowalnych narażeń zewnętrznych. Pozostaje jednak pytanie, jakie jest prawdopodobieństwo, że w warunkach normalnej pracy i w mogących wystąpić stanach awaryjnych system nie wykona powierzonej mu funkcji bezpieczeństwa? Jest to pytanie bardzo istotne, ponieważ system ma informować lub automatycznie reagować na pojawienie się gazu wybuchowego w taki sposób, aby nie doszło do wybuchu. Problematyka bezpieczeństwa funkcjonalnego elektrycznych/elektronicznych/programowalnych elektronicznych systemów (E/E/PES) związanych z bezpieczeństwem jest przedmiotem pakietu norm PN-EN [10]. Jednym z pierwszych przypadków implementacji filozofii norm PN-EN do konkretnej grupy urządzeń jest norma PN-EN [6]. Dotyczy ona właśnie stacjonarnych systemów eksplozymetrycznych. Norma ta nie jest zharmonizowana z dyrektywą ATEX 100. Nie ma do niej również odwołań w obecnych edycjach norm metrologicznych, ponieważ została opracowana później. Jest jednak bardzo użyteczna przy opracowywaniu dokumentu bezpieczeństwa w sytuacji, gdy jednym z elementów zapewniającym bezpieczeństwo jest system eksplozymetryczny. Norma ta, dla określenia poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa funkcji z nim związanych używa terminu SIL-capability (SILC). Z definicji funkcji bezpieczeństwa wynika, że nie każda funkcja systemu jest związana z bezpieczeństwem. Najczęściej funkcje te są związane z sygnałami wyjść wykonawczych po przekroczeniu progowych wartości stężeń. Są to np. funkcja sterowania wentylacją w zabezpieczanym rejonie po stwierdzeniu wzrostu stężenia gazu, czy wyłączenie energii elektrycznej dla wyeliminowania inicjałów wybuchu. Z bezpieczeństwem są również związane funkcje wizualizacji danych pomiarowych i komunikatów oraz archiwizacji. Z uwagi na dużą różnorodność konfiguracji systemów eksplozymetrycznych, norma zaleca rozbicie struktury na moduły. Moduły są jednostkami funkcjonalnymi systemu detekcji gazu. Realizują one zdefiniowaną część funkcjonalności wewnątrz systemu. Oprócz SILC, dla każdego modułu należy wyznaczyć, skorelowaną z nim, minimalną tolerancję defektu sprzętu. Przez uszkodzenie bezpieczne rozumie się takie uszkodzenie, które nie powoduje utraty zdolności do wykonania funkcji bezpieczeństwa. Należy również wyznaczyć dla modułu wskaźnik uszkodzeń sprzętu, korzystając z dostępnych danych statystycznych lub bibliotek producentów podzespołów. Posiadając te dane można przejść do określenia SILC wybranej funkcji bezpieczeństwa. W tym celu należy: rozważyć moduły i ich połączenia, zidentyfikować wszystkie moduły i połączenia, które mają wpływ na tę funkcję i połączyć je w łańcuchy, określić SILC modułów, uwzględniając uszkodzenia sprzętu i oprogramowania, moduły, które nie mają wpływu na funkcję bezpieczeństwa nie muszą być brane pod uwagę; to samo należy zastosować do połączeń niemających związku z daną funkcją bezpieczeństwa, szeregowe i równoległe łańcuchy powinny być sumowane w bloki, sumowanie łańcuchów w bloki powinno być powtarzane aż pozostanie pojedynczy blok z SILC rozważanej funkcji bezpieczeństwa systemu. Podczas sumowania łańcuchów w bloki obowiązują następujące zasady: wewnątrz szeregowego łańcucha najsłabszy moduł, tzn. moduł posiadający najniższy SILC, określa SILC nowego elementu, który zostanie użyty do dalszych rozważań, wewnątrz równoległego łańcucha, jeżeli moduły są niezależne (tzn. uszkodzenie jednego nie wpływa na drugi i nie mają wspólnego mechanizmu destrukcji) określa moduł o najwyższym SILC. Po zakończeniu tych iteracyjnych operacji dochodzi się do wyniku, który określa SILC analizowanej funkcji bezpieczeństwa. Należy go wówczas porównać z wymaganym SIL procesu, np. określony przez numer strefy, w której przebiega proces. Jeżeli SILC jest niższy od SIL, należy zmienić konfigurację systemu i powtarzać wyznaczenie SILC funkcji bezpieczeństwa do skutku. Czasem może się to wiązać z istotnymi zmianami w projekcie.

5 Trzcionka St. Systemy S gazowmetryczne funkcjonalność i bezpieczeństwo funkcjonalne.. Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybranee zagadnienia. Praca zbiorowa. Główny Instytut Górnictwa, G Katowice 2013, (s ) Rys. 1. Struktura funkcjonalna kanałuu pomiarowego stężenia metanuu w kopalni metanowej Pobieżną analizę bezpieczeństwa funkcjonalnego kanału SILC 2: W odstępie czasu nieprzekraczającym jednego pomiarowego stężeń gazu wybuchowego dobrzee jest tygodnia należy skontrolowaćć funkcję każdego elementu przedstawić na przykładzie rozbudowanego systemuu me- znajdującego się na drodze dostępu gazu do komory po- i tonometrycznego, eksploatowanego w kopalniach meta- Czujnik systemy pracujące w innym przemyśle, z tą różnicą, po- miarowej. nowych. Zasady analizy obejmują oczywiście również ziom zagrożenia wybuchowego w górnictwie wymusza Czujnik składa się s z elementu czujnikowego (sensora) zaostrzenie wymagań dotyczących: częstotliwości kalibra- SILC 2: Czujnik powinien spełniać wymagania mających Poziom nienaruszalności bezpieczeństwa dotyczy kon- zastosowanie norm metrologicznych [8]. Konserwację kretnej funkcji, a nie całego systemu. W omawianym należy wykonywać zgodnie z instrukcjami wytwórcy. interfejsu czujnika: cji, szybkości reakcji systemu i pokrycia diagnostycznego. przypadku analizowana jest funkcja wyłączania energii Kalibracja każdego kanału pomiarowego metanu powinna elektrycznej w zagrożonym rejonie (funkcja wyłącz ), być wykonywanaa raz w tygodniu i każdorazowo po pra- po stwierdzeniu przez kanał pomiarowy systemu warto- zastosowana metoda konwersji stężenia na sygnał pomia- pomiarowego systemu metanometrycznego. Szczegółowe rowy na to pozwala, np. w czujnikach IR). cach związanychh z uszczelnianiem zrobów. Należy prze- Rysunek 1 przedstawia strukturę funkcjonalną kanału ści stężeń przekraczających poziom alarmowy. widzieć właściwe proceduryy samodiagnostyczne (jeżeli wymagania dotyczące modułów systemu, występujące w Transmisja sygnału stacjonarnych systemach ekspozymetrycznych (metano- Transmisja sygnałów dokonywana jest pomiędzy następu- przedstawiono interpretację i przystosowanie tych wyma- jącymi modułami: gańń w obszarze systemów stosowanych w górnictwie czujnik, moduł linii, metrycznych), określa norma PN-EN [6]. Poniżej podziemnym w celu zachowania pokrycia diagnostyczne- dla moduł linii, panel p komunikacji, poziomu nienaruszalności funkcji bezpieczeństwa SILC 2. panel komunikacji, centrala, oddzielne komputery central (komunikacja systemu), Dyfuzyjne pobieranie gazu moduł wyjścia do elementu wykonawczego. Elementy o ograniczonym czasie pracyy (np. filtry, które ulegają nasycaniu) należy wymieniać znacznie wcześniej Transmisja sygnału zapewniaa wymianę danych pomiędzy niżż osiągną swój przewidywany czas działania. W instruk- wszystkimi elementami systemów. Obejmuje ona połą- cji należy podaćć informacje umożliwiające użytkownikowi czenie pomiędzy czujnikami systemu a centralą obliczenie czasu pracy tych elementów. go na poziomie DC > 90% %. Określono wymagania i połączenie fizyczne pomiędzy pozostałymi modułami Sympozjumm naukowo-techniczne zagrożonych wybuchem. w EpsilonX 2013 Bezpieczeństwo techniczne w przestrzeniach

6 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) toru pomiarowego, jak również obsługę i monitorowanie wymiany danych. SILC 2: Środki użyte do detekcji uszkodzenia transmisji danych powinny zawierać takie dane jak numerowanie następcze telegramów, komunikat time out, identyfikację nadawcy i zabezpieczenie kodu minimalny czas odpowiedzi, w wyniku detekcji uszkodzeń, nie powinien przekraczać kilku sekund (do 4 s). Jeżeli czas ten zostanie przekroczony to odpowiednie moduły, a jeżeli jest to konieczne to cały system powinien wykonać funkcję wyłączenia energii w zabezpieczanym rejonie. Komputer centrali przetwarza sygnały pomiarowe, oblicza wartości mierzone, obsługuje stany specjalne, dokonuje oszacowania wartości sygnałów (porównanie z wartościami progowymi). W systemach górniczych, w których akcję prewencyjną podejmuje bezpośrednio czujnik, ww. działania wykonuje również interfejs czujnika. Przetwarzanie sygnału SILC 2: W przypadku przetwarzania danych w jednostce sterującej należy tak dobrać formaty danych i precyzję, z jaką obliczane są wartości, aby żadne błędy wynikające z przetwarzania nie były większe niż 0,05% v/v metanu. Podczas przetwarzania komputer powinien kontrolować automatycznie wybrane wejście, wyjście i, tam gdzie jest to wskazane, wewnętrzny zakres danych oraz obsługiwać przekroczenia zakresu. Obliczanie wartości mierzonej Obliczanie wartości zawiera elementy przetwarzania wartości przetwarzania sekwencji wartości mierzonych. SILC 2 Podczas pomiarów maksymalny czas pomiędzy kolejnymi pomiarami wartości mierzonej nie może przekraczać 4 s. Dodatkowo należy brać pod uwagę czasy opóźnienia spowodowane przez inne moduły. Stan specjalny Stan specjalny musi być stanem bezpiecznym procesu oraz systemu metanometrycznego (SRECS). Oszacowanie wartości sygnału Oszacowanie sygnału następuje po obliczeniu wartości mierzonych. Podstawą oszacowania mogą być wartości mierzone, ale również sygnały statusu i inne sygnały zewnętrzne informujące o konieczności zainicjowania funkcji wyłącz. SILC 2: Po stwierdzeniu przekroczenia wartości progowej powinna zostać wykonana akcja (ostrzeganie lub funkcja wyłącz ). Funkcja wyłącz może być wykonana również w oparciu o zdefiniowaną uprzednio matrycę wyłączeń. Matryca powinna obejmować czujniki znajdujące się w tej samej grupie pomiarowej. Wyjście centrali indykacja wizualna (nie wchodzi do łańcuch funkcji wyłącz ) Indykacja jest stosowana w celu wyświetlenia wartości mierzonych, statusów i na żądanie innych informacji. Indykacja odbywa się na monitorze komputera centrali i na panelach modułów. SILC 2: Powinna być jednoznacznie określona jednostka wielkości mierzonej. Wszystkie pomiary poniżej lub poniżej zakresu pomiarowego powinny być wyraźnie wskazane. Powinna być możliwa identyfikacja miejsca wykonania wyświetlanego wyniku pomiaru. Wyjście decyzyjne Wyjście decyzyjne (np. optoelektroniczne) zawiera element przełączający w celu transmisji sygnału do peryferii. Dostarcza ono sygnałów alarmowych i może inicjować akcje związane z bezpieczeństwem w zewnętrznym wyposażeniu systemu, np. wyłączenie energii elektrycznej w zabezpieczanym rejonie. SILC 2: Sygnały (defektów lub alarmów) należące do pojedynczego punktu pomiarowego powinny uruchamiać związane z nim wyjście decyzyjne. Sygnały należące do kilku punktów pomiarowych mogą być powiązane w jeden sygnał lub uruchamiać wyjście decyzyjne wszystkich związanych z nimi punktów pomiarowych, które są powiązane w matrycy wyłączeń. Wyjścia decyzyjne powinny być regularnie sprawdzane lub monitorowane w sposób ciągły. Archiwizacja danych (nie wchodzi do łańcucha funkcji wyłącz ) Archiwum danych zawiera stały lub zapisywalny magazyn danych, wraz ze związanym z nimi czasem. Dane należy przechowywać z redundancją na dyskach twardych komputerów centrali powierzchniowej oraz pamięci nieulotnej czujników. Przechowywanymi danymi mogą być sygnały pomiarowe, wartości mierzone, znaczniki czasu, alarmy, wskazania statusów, sygnały statusów i parametry odebrane przez wewnętrzną transmisję sygnału. SILC 2: Źródło (np. punkt pomiarowy), typ sygnału, status i sekwencja sygnału (np. znacznik czasu) przechowywanych danych powinny być jednoznaczne. Przerwy w przechowywaniu danych, np. w wyniku przejściowego defektu modułu, powinny być rozpoznawalne. W kwestiach związanych z wymaganiami i metodyką badań oprogramowania wszystkich modułów systemu trwa obecnie w CENELEC dyskusja nad nową edycją normy PN-EN 50402:2007 [6]. Jak dotąd jej zapisy odsyłają do wymagań trzeciego arkusza normy [10]. Proces zakupu odpowiedniego systemu wymaga współdziałania i wymiany informacji między producentem systemu i potencjalnym użytkownikiem.

7 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) Producent powinien dla każdego modułu dostarczyć użytkownikowi następujących informacji: opis funkcji realizowanych przez moduł, parametry interfejsu do innych modułów, specjalne warunki, które mogą wpływać na nienaruszalność bezpieczeństwa, np. narażenia środowiskowe lub krótkie interwały konserwacyjne, specjalne warunki, które mogą oddziaływać na powiązane moduły (pojedynczy łańcuch, równoległy łańcuch), np. zatruwanie czujników katalitycznego spalania, przedział czasu, na który zaplanowane jest samotestowanie, aby wykryć niebezpieczne uszkodzenia funkcji bezpieczeństwa. Użytkownik zaś powinien przekazać producentowi następujące informacje: jakie funkcję bezpieczeństwa należy wykonać, numery SILC tych funkcji bezpieczeństwa, maksymalny wskaźnik uszkodzenia niebezpiecznego i, w przypadku konfiguracji redundancyjnej modułów, minimalny interwał testu odporności na uszkodzenie, interfejsy do innych urządzeń niezbędnych do osiągnięcia całkowitej funkcji bezpieczeństwa, zasady komunikacji z peryferiami, spodziewane warunki pracy modułów, włączając w to dane na temat czynników zatruwających, obecnych w analizowanym gazie lub w otoczeniu; dane zawierające pełny skład analizowanych gazów występujących w zabezpieczanym rejonie. Oczywiście, zachowanie tak żmudnie określonego SILC jest uwarunkowane już podczas użytkowania, staraniami obsługi systemu, aby poprawnie zlokalizować czujniki, przestrzegać terminów okresowych inspekcji, kalibracji oraz konserwacji. Zagadnienia te powinny być omówione w instrukcji obsługi systemu, którą dostarcza producent. W kwestiach nierozstrzygniętych, zaleca się zajrzeć do przewodnika PN-EN [9]. 5 PRZENIESIENIE OGÓLNYCH WYMAGAŃ BEZPIECZEŃSTWA FUNKCJONALNEGO NA SYSTEMY EKSPLOZYMETRYCZNE Systemy eksplozymetryczne pełnią funkcje związane z bezpieczeństwem. Z punktu widzenia dyrektywy [3] są to urządzenia zabezpieczające, których podstawowe wymagania zostały określone w załączniku II. Jednocześnie powinny one spełniać wymagania podstawowych norm dotyczących bezpieczeństwa funkcjonalnego [10], Próba implementacji tych norm do systemów eksplozymetrycznych, z uwzględnieniem ich specyfiki stosowania w górnictwie podziemnym prowadzi do określenia następujących, ogólnych wymagań dla poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa systemów. Wszystkie elementy systemu, realizujące funkcje bezpieczeństwa, powinny być projektowane, wytwarzane i wprowadzane do eksploatacji pod nadzorem systemu zarządzania bezpieczeństwem, uwzględniającym wymagania normy [11] i przepisów górniczych [4]. W celu unikania uszkodzeń należy stosować elementy od sprawdzonych dostawców. Elementy, od których zależy bezpieczeństwo (przeciwwybuchowe i funkcjonalne) powinny być odrębnie sprawdzane przed i po montażu. System powinien przejść badania typu WE (odpowiedni moduł oceny zgodności z dyrektywą ATEX [3]) na zgodność z deklarowanymi normami dotyczącymi budowy przeciwwybuchowej oraz normą metrologiczną PN-EN [8] i być serwisowany zgodnie z zaleceniami producenta oraz przepisami branżowymi [4]. Powinny być jasno zdefiniowane wyjścia wykonawcze (alarmowe), parametry zasilania i stany specjalne. Nastawy alarmów i matryce wyłączeń powinny być wykonywane przez upoważnione osoby po uprzednim zalogowaniu się indywidualnym hasłem do systemu. System powinien mieć redundancję zasilania z dwóch niezależnych sieci energetycznych. Przejście do stanu bezpiecznego powinno być inicjowane automatycznie. Oprogramowanie systemu (wszystkich jego programowalnych elementów) powinno spełniać wymagania dla SIL 1 normy [10]. SILC 2 Dla modułów prostych udział uszkodzenia bezpiecznego powinien zawierać się pomiędzy 60 a 90%, jeżeli tolerancja defektu sprzętu wynosi 0. Dla modułów złożonych udział uszkodzenia bezpiecznego powinien zawierać się pomiędzy 60 a 90%, jeżeli tolerancja defektu sprzętu wynosi 1, albo pomiędzy 90 a 99%, jeżeli tolerancja defektu sprzętu wynosi 0. W systemie należy implementować środki i ustalić procedury umożliwiające okresowe sprawdzanie wszystkich funkcji bezpieczeństwa. Podczas każdego uruchamiania systemu i na życzenie dyspozytora powinna być przeprowadzana autodiagnostyka sprawności sprzętu i oprogramowania. Podczas okresowych kalibracji (raz w tygodniu) powinna być sprawdzana drożność wlotów gazu do elementów czujnikowych oraz stan spieków i filtrów. Stany specjalne systemu powinny być aktywowane i sygnalizowane automatycznie. Powinna istnieć możliwość nastawy parametrów torów pomiarowych i powinny być one możliwe do sprawdzenia w trybie pomiarowym systemu. Oprogramowanie systemu (wszystkich jego programowalnych elementów) powinno spełniać wymagania dla SIL 2, normy [10]. 6 PODSUMOWANIE 6.1 Systemy detekcji gazów i par palnych w procesie certyfikacji powinny podlegać ocenie: SILC 1

8 Bezpieczeństwo przeciwwybuchowe wybrane zagadnienia. Praca zbiorowa. 2013, (s ) bezpieczeństwa przeciwwybuchowego wszystkich elementów składowych, parametrów metrologicznych, z uwzględnieniem czynników zakłócających wskazania w warunkach spodziewanej eksploatacji, kompatybilności elektromagnetycznej. 6.2 Podstawowe zadania realizowane przez systemy detekcji to: wykrywanie niebezpiecznych stężeń gazów wybuchowych, ostrzeganie o zagrożeniach i niejednokrotnie samodzielne podejmowanie działań prewencyjnych, są bezpośrednio związane z bezpieczeństwem przeciwwybuchowym. Ponieważ zawodnie działający system detekcji może tworzyć większe zagrożenia niż jego brak, zaleca się (chociaż nie jest to wymóg obligatoryjny) ocenę niezawodności działania jego funkcji związanych z bezpieczeństwem i wyznaczenie ich poziomu nienaruszalności SILC. 6.3 Osiągnięcie zadowalającego poziomu SILC zależy od konstruktora i producenta systemu. Jego zachowanie jest uwarunkowane, już podczas użytkowania, staraniami obsługi systemu, by poprawnie zlokalizować czujniki, przestrzegać terminów okresowych inspekcji, kalibracji oraz konserwacji. Zagadnienia te powinny być omówione w instrukcji obsługi systemu, którą dostarcza producent. Literatura [1] Directive 1999/92/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 1999 on minimum requirements for improving the safety and health protection of workers potentially at risk from explosive atmospheres (15 th individual Directive within the meaning of Article 16(1) of Directive 89/391/EEC). [2] Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 maja 2003, w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy pracowników zatrudnionych na stanowiskach pracy, na których może wystąpić atmosfera wybuchowa. Dz. U. Nr 107, poz [3] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 marca 1994 w sprawie ujednolicenia przepisów prawnych państw członkowskich, dotyczących urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem; 94/9/WE (tekst ujednolicony na podstawie tekstu oficjalnego). Katowice, Główny Instytut Górnictwa, listopad 1999 r. [4] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 25 czerwca 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych. Dz. U. z dnia 14 lipca 2010 r. [5] PN-EN 50270:2005 Kompatybilność elektromagnetyczna Elektryczne przyrządy do wykrywania i pomiaru gazów palnych, gazów toksycznych lub tlenu. [6] PN-EN 50402:2007 Elektryczne przyrządy do wykrywania i pomiaru gazów palnych lub toksycznych oraz par albo tlenu Wymagania dotyczące bezpieczeństwa funkcjonalnego stacjonarnych systemów detekcji gazu. [7] PN-EN (grupa norm 0 35) Atmosfery wybuchowe. [8] PN-EN :2010 Atmosfery wybuchowe - Część 29-1: Detektory gazu -- Wymagania metrologiczne i funkcjonalne detektorów gazów palnych [9] PN-EN :2010 Atmosfery wybuchowe - Część 29-2: Detektory gazu -- Wybór, instalacja, użytkowanie i konserwacja detektorów gazów palnych i tlenu [10] PN-EN (1 do 7). Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych/ elektronicznych/ programowalnych elektronicznych systemów związanych z bezpieczeństwem. [11] ISO/IEC :2011 Explosive atmospheres Part 34: Application of quality systems for equipment manufacture (org). Informacje dodatkowe o autorze. dr inż. Stanisław Trzcionka Główny Instytut Górnictwa, Kopalnia Doświadczalna BARBARA. tel (32) , kdxst@gig.katowice.pl