Roberval Bulgarelli (*)

 

Sinopse: Este artigo aborda os requisitos para os serviços de projeto e de instalação de sistemas Ethernet APL intrinsicamente seguros a dois fios (2-WISE), utilizados em áreas classificadas Zonas 0, 1, 2, 20, 21 ou 22, Grupos I, IIA, IIB, IIC, IIIA, IIIB ou IIIC, incluindo as informações para a documentação descritiva de cada circuito, a especificação dos cabos a serem utilizados e os requisitos de aterramento das blindagens dos cabos.

 

1.   Generalidades

Um sistema Ethernet intrinsecamente seguro a dois fios, com base no padrão 2-WISE (Ethernet a dois fios intrinsecamente segura), representa um sistema composto por circuitos contendo dispositivos intrinsecamente seguros com base no padrão Ethernet APL (Advanced Physical Layer), com valores-limites de entidade ou de limitação normalizados na ABNT IEC TS 60079-47, com parâmetros de segurança intrínseca para cada tipo de porta Ethernet.

 

Um Sistema 2-WISE consiste na montagem de dispositivos 2-WISE interconectados, descritos em uma “documentação descritiva de sistema”, no qual os circuitos ou as partes dos circuitos, destinados a serem instalados em uma área classificada, são circuitos intrinsecamente seguros.

 

2.   Características gerais dos dispositivos e sistemas com padrão Ethernet APL / 2-WISE

O padrão Ethernet APL (Advanced Physical Layer), indicado na Norma IEEE Std 802.3 cg (IEEE Standard for Ethernet – Amendment 5: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors), especifica o padrão Ethernet 10BASET1L, o qual opera com um cabo de dois fios (um par de fios), com taxa de transmissão de 10 MBit/s, em modo full duplex, com distâncias “longas” (L) de cabos, com comprimentos até 1.000 m.

 

O padrão 10BASE-T1L representa um padrão de camada física para comunicação Ethernet a 10 MBit/s sobre um cabo de par trançado de cobre, com capacidade opcional de alimentação elétrica, de acordo com a Norma IEEE 802.3cg. O padrão 2-WISE (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet), indicado na Norma Técnica Brasileira adotada ABNT IEC TS 60079-47, estabelece os requisitos para a certificação de dispositivos intrinsecamente seguros, que operam no padrão Ethernet APL.

 

Entre os principais benefícios proporcionados pelos sistemas 2-WISE, podem ser destacados a dispensa de utilização de sistemas FieldBus ou de gateways, para comunicação com o sistema de controle de processo (DCS ou PLC), bem como a devida integração entre as áreas de TA (Tecnologia da Automação), TI (Tecnologia da Informação) e TO (Tecnologia da Operação).

 

Além disso, a implantação de sistemas 2-WISE permite a utilização de sistemas Ethernet de forma padronizada, com conectividade completa desde a instrumentação “Ex” de campo (sensores, transmissores, atuadores, posicionadores, analisadores, switches e outros tipos de dispositivos “Ex”) até os níveis superiores de automação, incluindo sistemas de supervisão e controle, sistemas de controle avançado, engenharia de manutenção, sistema de gestão de ativos e engenharia de sistemas de automação.

 

3.   Tipos de portas Ethernet APL / 2-WISE

São indicados a seguir os tipos de portas no padrão Ethernet APL / 2-WISE utilizados em sistemas Ethernet intrinsecamente seguros a dois fios:

 

• Porta Ethernet de FONTE de alimentação 2-WISE: porta de um dispositivo 2-WISE que, além de funções de comunicação, proporciona alimentação em corrente contínua para um segmento com padrão Ethernet APL / 2-WISE;

• Porta Ethernet de alimentação de CARGA 2-WISE: porta de um dispositivo que, além de funções de comunicação, consome energia em c.c. a partir de um segmento com padrão Ethernet APL;

• Porta Ethernet somente para comunicação 2-WISE: porta que tem somente funções de comunicação e que, em operação normal, não gera ou consome um valor significativo de energia;

• Porta Ethernet de dispositivo auxiliar 2-WISE: porta de um dispositivo 2-WISE que tem outras funções que não a de comunicação (por exemplo, um dispositivo de proteção de surto 2-WISE).

 

4.        Parâmetros de entidade ou de limitação para portas Ethernet 2-WISE

Os valores dos parâmetros de entidade ou de limitação das portas 2-WISE são “padronizados” na ABNT IEC TS 60079-47. Por esse motivo, os parâmetros de entidade ou de limitação não necessitam ser indicados nos respectivos certificados de conformidade dos produtos “Ex” certificados no padrão 2-WISE e nem na respectiva documentação descritiva dos sistemas.

 

Por esse motivo, para qualquer tipo de porta Ethernet, para qualquer fabricante ou modelo de dispositivos 2-WISE, os parâmetros são “padronizados” de forma “normativa”. Isso faz com que seja dispensada a verificação desses parâmetros de entidade ou de limitação, nos casos de projeto e de instalação de sistemas 2-WISE, facilitando o projeto e reduzindo os riscos de falhas na parametrização de valores entre dispositivos e switches “Ex”.

 

5.   Requisitos para projeto de sistemas 2-WISE

Um sistema 2-WISE “típico” engloba duas portas 2-WISE conectadas aos terminais opostos de um cabo, com um máximo de dois dispositivos 2-WISE com dois dispositivos auxiliares 2-WISE entre os terminais.

 

Existem dois tipos diferentes de sistemas 2-WISE:

• O sistema 2-WISE alimentado;
• O sistema 2-WISE somente para comunicação (não alimentado).

 

A função básica de um sistema Ethernet APL / 2-WISE é a comunicação de dados. O sistema alimentado disponibiliza adicionalmente a alimentação elétrica dos dispositivos, da seguinte forma:

• A porta Ethernet de fonte de alimentação fornece uma alimentação em c.c. para o sistema. A porta Ethernet de alimentação de carga consome energia em c.c. do sistema. As portas Ethernet dos dispositivos auxiliares podem também consumir energia em c.c. do sistema;

•  Em um sistema somente de comunicação (não alimentado), nenhuma energia em c.c. é fornecida ao sistema por meio das conexões do sistema 2-WISE, sendo que, nesses casos, os dispositivos 2-WISE são sempre alimentados de forma separada. Uma porta Ethernet 2-WISE somente para comunicação não pode ser conectada a uma porta Ethernet 2-WISE de fonte de alimentação.

 

O conceito 2-WISE permite a interconexão de equipamentos intrinsecamente seguros e equipamentos associados que não foram especificamente avaliados para uma combinação específica. Para a aceitação da interligação dos diferentes circuitos intrinsecamente seguros desses equipamentos Ex “i”, a comparação da tensão Ui com U_O, da corrente Ii com I_O e da potência Pi com P_O dos circuitos interligados deve demonstrar que Ui, Ii e Pi são iguais ou maiores que U_O, I_O e P_O dos circuitos conectados. Além disso, a capacitância interna máxima (Ci) e a indutância interna máxima (Li) de cada equipamentos Ex “i” (exceto de dispositivos auxiliares) conectados a um sistema 2-WISE não devem exceder 5 nF e 10 µH, respectivamente.

 

Em um sistema 2-WISE do tipo “alimentado”, apenas duas portas Ethernet APL (porta de fonte de alimentação e porta de carga de alimentação) podem ser conectadas nas extremidades opostas de um cabo, com um máximo de dois dispositivos auxiliares conectados entre elas. A porta da fonte de alimentação fornece energia c.c. ao sistema 2-WISE e a porta de carga de energia consome energia c.c. do sistema 2-WISE. As portas de dispositivos auxiliares também podem consumir energia c.c. do sistema. A tensão U_O de uma porta de fonte de alimentação deve estar na faixa entre 14,0 V e 17,5 V.

 

Qualquer outro dispositivo conectado ao cabo deve ser do tipo “passivo”, o que significa que não é permitido que ele forneça energia ao sistema 2-WISE, com exceção de uma corrente máxima de fuga de 1 mA para uma porta de carga de alimentação e uma corrente máxima de fuga de 50 µA para cada porta de dispositivo auxiliar. O circuito intrinsecamente seguro de uma porta Ethernet APL / 2-WISE deve ser isolado galvanicamente de circuitos não intrinsecamente seguros.

 

6.   Requisitos para especificação de cabos em sistemas 2-WISE

Os cabos de interligação utilizados em um sistema com portas Ethernet APL / 2-WISE devem estar de acordo com os seguintes parâmetros:

• Resistência do cabo Rc: 15 ?/km a 150 ?/km;
• Indutância do cabo Lc: 0,4 mH/km a 1 mH/km;
• Capacitância do cabo Cc: 45 nF/km a 200 nF/km;
• Comprimento dos cabos dos circuitos de tronco (“trunk”): até 1.000 m;
• Comprimento dos cabos dos circuitos de derivação (“spur”): até 200 m (não incluindo os trechos finais de cabos para conexão dos dispositivos auxiliares 2-WISE, se houverem);
• Comprimento dos cabos para conexão dos dispositivos auxiliares (stub): até 1,0 m.

 

Em todos os casos em que esses parâmetros elétricos dos cabos forem atendidos, os valores totais de indutância e capacitância dos cabos não prejudicam ou comprometem o tipo de proteção por segurança intrínseca da instalação 2-WISE.

 

De forma a evitar a ocorrência de interferências eletromagnéticas nos sinais dos circuitos Ethernet em sistemas 2-WISE, devido aos ruídos eletromagnéticos normalmente existentes em instalações industriais, é recomendado que os cabos a serem utilizados nos circuitos de campo do tipo derivação (spur) sejam do tipo “shieldado”, de acordo com os requisitos da Norma IEC 61158-2 (Industrial communication networks – Fieldbus specifications – Part 2: Physical layer specification and service definition).

 

7.   Documentação descritiva de Sistema intrinsicamente seguros a dois fios Ethernet APL / 2-WISE

Cada sistema Ethernet APL / 2-WISE deve possuir a sua documentação descritiva, de forma a documentar que os requisitos necessários para projeto e instalação foram devidamente atendidos. Essa documentação descritiva de um sistema 2-WISE deve conter, no mínimo, as seguintes informações:

 

[1]   Cada interconexão de portas Ethernet APL / 2-WISE em um sistema 2-WISE deve ser designada a um NÍVEL DE PROTEÇÃO (EPL), por exemplo, “ia”, “ib” ou “ic”, o qual é determinado pela porta 2-WISE com o EPL menos rigoroso existente no sistema;

 

[2]   Cada interconexão de porta Ethernet APL / 2-WISE deve ser alocada a um GRUPO de equipamento “Ex”, por exemplo, I, IIA, IIB, IIC, IIIA, IIIB ou IIIC, determinado pela porta Ethernet APL / 2-WISE com o grupo de equipamento menos rigoroso existente no sistema;

 

[3]   Essa documentação descritiva do sistema deve conter também a confirmação da verificação de que a temperatura máxima ambiente de cada dispositivo 2-WISE é adequada para a instalação pretendida;

 

[4]   A CLASSE DE TEMPERATURA de cada dispositivo 2-WISE deve ser determinada e registrada nessa documentação descritiva do sistema;

 

[5]   Parâmetros elétricos dos cabos utilizados, a serem conectados a uma porta Ethernet APL / 2 WISE, incluindo os valores de capacitância, indutância e comprimento.

 

Os parâmetros de segurança intrínseca não necessitam ser incluídos na documentação descritiva para as portas 2-WISE. Essa documentação deve conter informações indicando que uma porta marcada “somente de comunicação 2-WISE” não deve ser conectada a uma “porta de fonte de alimentação 2-WISE”.

 

8.        Considerações sobre os benefícios da utilização de Sistema Ethernet-APL / 2-WISE

Informações adicionais sobre requisitos de projeto e instalação de sistemas Ethernet-APL/2-WISE estão disponíveis na versão “completa” desse artigo aqui.

(*) Roberval Bulgarelli é consultor sobre equipamentos e instalações em atmosferas explosivas. Engenheiro eletricista, com mestrado em proteção de sistemas elétricos de potência. Organizador do Livro “O ciclo total de vida dos equipamentos e instalações em atmosferas explosivas”.