Citação

Índice

Projeto de E/S de PCB intrinsecamente seguro: um guia para segurança em áreas classificadas como perigosas

O que impede um circuito eletrônico comum de causar uma explosão mortal em uma refinaria de petróleo, uma fábrica de produtos químicos ou um antigo silo de grãos? A resposta está em uma ciência da engenharia especial conhecida como Design intrinsecamente seguro (IS). Por meio do direcionamento adequado de tensão, corrente e potência, os engenheiros desenvolveram sensores, dispositivos de saída e interfaces de comunicação de forma segura, sem gerar qualquer risco.

Em ambientes com gases, vapores ou poeiras inflamáveis, uma breve faísca ou o calor excessivo de aparelhos eletrônicos comuns podem ser desastrosos. Projeto de E/S de PCB intrinsecamente seguro É o processo meticuloso de criação de circuitos que operam com segurança em atmosferas explosivas, mantendo a energia elétrica e térmica do sistema abaixo do limite necessário para causar ignição.

Quer saber o que permite que segurança e funcionalidade coexistam neste ambiente hostil? Este manual abordará os fundamentos de projeto de PCB intrinsecamente seguro, incluindo os princípios fundamentais, tipos de interface, questões de projeto e como lidar com os desafios de projetar eletrônicos seguros, confiáveis e em conformidade com as normas para áreas perigosas.

O que é um projeto de E/S de PCB intrinsecamente seguro?

Projeto de E/S de PCB intrinsecamente seguro é o método de criação de circuitos capazes de operar em ambientes explosivos. Ele restringe a energia térmica e elétrica para evitar a ignição de gases inflamáveis e de poeira no ambiente. componentes. Esses circuitos processam sinais de sensores, sinais de atuadores e sinais de comunicação, como sinais RS-485 ou loops de 4-20 mA. São amplamente utilizados nas indústrias químicas, bem como em instalações de petróleo e gás, para garantir a conformidade com as normas. Normas ATEX ou IECEx. A principal preocupação disto tipo de PCB está focando na segurança sem comprometer o desempenho.

O vídeo a seguir explica os sistemas de segurança intrínseca de equipamentos elétricos em ambientes perigosos. Ele simplifica o assunto explicando conceitos básicos e os três elementos-chave do sistema. Veja como eles trabalham em conjunto para prevenir incêndios e explosões.

Aplicação em diversos setores

As placas de circuito impresso (PCBs) de entrada/saída devem ser implantadas em indústrias que utilizam materiais inflamáveis em seu ambiente. Por exemplo:;

  • Projetos de E/S de PCBs intrinsecamente seguros são aplicados em plataformas de perfuração, refinarias e dutos em instalações de processamento de petróleo e gás para fornecer monitoramento e controle seguros.
  • Eles oferecem proteção para os produtos químicos voláteis utilizados perto de sensores e atuadores em funcionamento em fábricas químicas.
  • Na mineração, eles suprimem a ignição de metano ou poeira de carvão em atividades subterrâneas.
  • Eles controlam as operações com solventes combustíveis e poeira em algumas empresas farmacêuticas.
  • Elas minimizam os riscos causados por poeira inflamável e protegem os trabalhadores e os equipamentos em fábricas de processamento de grãos.

Principais considerações de projeto de PCB para circuitos intrinsecamente seguros

A segurança intrínseca deve ser cuidadosamente projetada com gerenciamento de energia baseado em componentes. Alguns dos princípios básicos a seguir devem ser considerados.

Limitação de energia

O princípio fundamental é manter a tensão, a corrente e a potência dentro de limites seguros. Componentes como Diodos Zener, Resistores e limitadores de corrente são usados pelos projetistas para regular a energia. O circuito deve ser automatizado para restringir a liberação de energia extra que possa causar faíscas ou ignição, mesmo em caso de mau funcionamento.

Confiabilidade dos componentes

A seleção dos componentes deve levar em consideração sua durabilidade e confiabilidade. Componentes como fusíveis, resistores e diodos Zener são utilizados por serem capazes de lidar com tensões de forma mais eficiente. Componentes com potência nominal inferior à máxima são utilizados para aumentar a segurança e a vida útil do componente, o que também é chamado de Desativação.

Rastejamento e folga

Deve-se manter uma distância adequada entre as trilhas condutoras para evitar arcos elétricos e danos à superfície. O espaço de ar entre esses caminhos condutores é chamado de autorização; Por outro lado, a distância entre o ar e a placa de circuito impresso é rastejamento. Essas distâncias mínimas são definidas por normas como IEC 60079-11 e tendem a ser maiores do que as de projetos normais baseados em PCBs.

Proteção e Revestimentos

Os revestimentos protetores do circuito são geralmente feitos por revestimento isolante e compostos para vasos.O componente da placa permanece inalterado pela umidade externa, produtos químicos e poeira, mesmo após um longo período de tempo. Também são úteis para selar elementos de segurança e reduzir os riscos de trilhas.

Aterramento e isolamento

Um sistema de aterramento eficaz garante a segurança e o desempenho do circuito em questão. Optoacopladores ou transformadores de isolamento são métodos de aterramento. isolamento galvânico, que restringem a transição de energia arriscada entre circuitos normais e perigosos. Isso impacta na confiabilidade da máquina e minimiza o ruído no sistema.

Tipos de interface em projetos de E/S intrinsecamente seguros

O Interface de E/S intrinsecamente segura Os tipos são categorizados de acordo com o tipo de sinal/dados que estão sendo transmitidos entre a placa de circuito impresso (PCB) e os dispositivos externos.

  • E/S digital

São utilizados em interruptores simples de liga/desliga ou como controle de atuadores. O projeto utiliza resistores em série para limitar a corrente e optoacopladores para isolar o circuito. Cargas indutivas, como faíscas de relés, são perigosas e devem ser suprimidas com circuitos de supressão.

  • Entrada/Saída Analógica

Muitos Loops de corrente de 4-20mA Os sinais de 0 a 10 V de transdutores e transmissores são processados analogicamente. Resistores precisos são importantes para limitar a corrente, e os amplificadores de instrumentação devem ser selecionados e ajustados para operar dentro dos limites de potência seguros.

  • Entrada/Saída de Comunicação

Interfaces, como RS-485, PROFIBUS PA ou HART, devem ser cuidadosamente projetados para garantir a integridade do sinal e cumprir as restrições de energia. Isso inclui a utilização de circuitos integrados de transceptores separados, restringindo a taxa de variação dos sinais para minimizar a energia de alta frequência e implementando forte proteção contra surtos e Proteção ESD do lado seguro da barreira.

O Processo de Certificação e Teste

A certificação, verificação e testes adequados devem ser realizados por diversos motivos de segurança.

  • Avaliação da Conformidade

Um Organismo Notificado (ATEX) ou um Organismo de Certificação Ex (IECEx) verifica e valida seus projetos de acordo com as normas aplicáveis.

  • Teste de ignição por faísca

Os circuitos são testados sob condições de erro do sistema e irregularidades para garantir que não produzam faíscas inflamáveis durante o funcionamento.

  • Teste de temperatura

Cenários imaginários e provavelmente os piores possíveis são realizados sob certas condições de falha para garantir que as temperaturas das superfícies interna e externa sejam inferiores à temperatura de autoignição do grupo de gases em questão (por exemplo, T6 ≤ 85 °C).

São realizados testes de vibração, umidade e funcionais para garantir que o projeto seja seguro e confiável durante toda a sua operação.

Desafios no projeto de E/S de PCBs IS

Projetar uma E/S de PCB intrinsecamente segura é uma tarefa desafiadora. Os projetistas devem garantir a segurança, bem como o funcionamento dos circuitos, a análise de custos e a confiabilidade. Alguns exemplos são apresentados a seguir.

  • É difícil obter alta precisão e velocidade de sinal com energia limitada.
  • Ter componentes melhores e certificação aumenta o custo automaticamente.
  • É bastante difícil integrar componentes limitadores de energia em projetos pequenos sem comprometer a segurança.
  • Os testes simulados de ambientes perigosos são complexos e consomem muitos recursos.
  • A mudança contínua de Normas ATEX e IECEx exige modificações subsequentes no projeto.

Melhores práticas para um projeto de PCB IS bem-sucedido

Os pontos apresentados garantem a conformidade, melhoram a segurança e racionalizam a certificação, reduzindo os riscos durante o desenvolvimento.

  • Documentação e Rastreabilidade

É fundamental manter a precisão dos dados sobre o cumprimento dos requisitos de segurança e desempenho. Esses registros simplificam consideravelmente as verificações de conformidade e as auditorias subsequentes.

  • Colaboração com Órgãos Certificadores

É melhor trabalhar com as autoridades de segurança desde o início para evitar custos adicionais com retrabalho no futuro. A experiência e a orientação delas na área garantem que o projeto atenda às normas ATEX, IECEx ou outras normas necessárias.

  • Auditorias e revisões regulares

Os projetos devem ser verificados com frequência e rigor para identificar problemas de segurança e desempenho antes que se tornem graves. Inspeções periódicas e uma versão atualizada do projeto garantem a conformidade com as normas vigentes.

Ferramentas para projeto de PCBs intrinsecamente seguros

Placas de circuito impresso intrinsecamente seguras exigem ferramentas apropriadas para serem projetadas. Os engenheiros também utilizam softwares e equipamentos de teste para garantir verificações de segurança e aumentar a precisão durante a preparação do projeto.

  • Software CAD/EDA

Software de design Softwares como Altium Designer, Cadence ou KiCad ajudam os desenvolvedores a seguir os princípios de segurança intrínseca. Informações sobre distâncias de fuga, folgas e bibliotecas de componentes certificados estão incluídas para uma verificação completa.

  • Ferramentas de simulação

Simuladores como o LTspice conseguem modelar com sucesso circuitos de limitação de energia. A previsão e o controle da perda de calor em ambientes perigosos também são facilitados pelo uso de equipamentos de análise térmica.

  • Verificadores de Conformidade

O projeto pode ser verificado automaticamente com conectores EDA para garantir a conformidade com os requisitos de espaçamento e alimentação das normas ATEX ou IECEx. Isso minimiza erros e perda de tempo na certificação.

  • Equipamento de teste

Equipamentos de teste especiais verificam os riscos de ignição por faísca e a resistência ambiental dos disjuntores. Esses equipamentos garantem a confiabilidade em condições reais e proporcionam segurança ao fabricante antes de prosseguir com o processo de certificação.

Faça parceria com especialistas em PCBA intrinsecamente seguros.

O projeto de E/S de PCBs intrinsecamente seguros é essencial para garantir a segurança de pessoas e equipamentos em situações de explosão. Para obter circuitos confiáveis dentro de limites de segurança rigorosos, os engenheiros buscam um equilíbrio entre desempenho, custo e conformidade, de forma a atender aos padrões internacionais. A segurança pode ser incorporada em cada etapa do processo por meio do projeto cuidadoso das interfaces de usuário, testes rigorosos e aplicação das melhores práticas. Com a estratégia correta, os projetos de E/S de PCBs oferecem proteção e desempenho confiável.

Em PCBA FS, Somos especializados em projetar e fabricar soluções de PCBs intrinsecamente seguras, personalizadas, confiáveis e totalmente em conformidade com as normas. Nossa expertise garante que seus produtos atendam aos mais altos padrões de segurança sem comprometer o desempenho.

Pronto para projetar com confiança para ambientes perigosos? Entre em contato com a FS PCBA hoje mesmo para uma consultoria sobre seu próximo projeto.

Perguntas frequentes sobre projeto de E/S de PCB intrinsecamente seguro

A segurança intrínseca é o conceito de projetar equipamentos elétricos de forma a resistir à emissão de energia extra — na forma de faíscas ou calor — que possa inflamar substâncias explosivas no ambiente. Isso é feito direcionando a tensão, a corrente e a potência para níveis abaixo dos de ignição. É uma prática comum nos setores de petróleo, gás, mineração e química para garantir a segurança das operações.

Os módulos Flex I/O não apresentam necessariamente falhas que os tornem intrinsecamente seguros. No entanto, eles podem ser utilizados em situações de risco, integrados a barreiras ou isoladores intrinsecamente seguros. Esses acessórios têm como objetivo manter os sinais transmitidos pelo Flex I/O dentro dos limites de energia seguros. A certificação e as instruções de instalação devem sempre ser observadas antes da utilização do Flex I/O em ambientes explosivos.

Pode ser implementado em qualquer local onde gases, vapores ou poeira inflamáveis possam estar presentes. Também é utilizado em locais e indústrias onde são realizadas manutenções e calibrações frequentes e de alta frequência. Os equipamentos de segurança permitem uma operação mais segura, fácil e, em muitos casos, menos dispendiosa do que os equipamentos à prova de explosão.

Uma barreira Zener é um dispositivo de proteção elétrica que restringe a corrente e a tensão em uma zona perigosa. Ela utiliza diodos Zener, resistores e fusíveis para limitar a energia indesejada. Essa barreira impede automaticamente que a energia ultrapasse os níveis de segurança em situações de perigo.

A segurança intrínseca (IS) combate o risco de explosão limitando a quantidade de energia elétrica excedente. É aplicada a eletrônicos de baixa potência, instrumentação e sensores. Já os invólucros à prova de explosão (Ex d) confinam a zona de ignição ou faísca, mitigando o impacto no entorno. São aplicados a grandes dispositivos, como motores, bombas e equipamentos de alta potência.

Obter um orçamento

Blogues relacionados