Quando la situazione si fa esplosiva

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Nelle zone ad alto rischio, robustezza, affidabilità e ridondanza sono affiancate da meccanismi per la prevenzione o mitigazione di incendi ed esplosioni

Gli ambienti industriali, in particolare nel settore petrolchimico, chimico e minerario, presentano zone in cui l’accumulo di gas, vapori, polveri o anche fibre comporta un elevato rischio di incendio o di esplosione. I prodotti e gli scarti di lavorazione, nelle opportune condizioni, possono innescare una reazione a catena, con conseguenze catastrofiche tanto in termini di perdita di vite umane, quanto di danni economici. La progettazione, installazione, gestione e manutenzione di apparecchiature elettriche (e non) in queste aree ad alto rischio non può lasciare nulla al caso, dal punto di vista sia tecnico che normativo. Le strategie per la prevenzione e la mitigazione dei rischi di incendio ed esplosione contemplano tutta una serie di misure tecniche, protocolli di sicurezza, formazione del personale, controlli periodici e manutenzione predittiva, che sono codificate in leggi, normative e direttive. A questo tour-de-force non si possono sottrarre i sistemi di comunicazione industriale, come i bus di campo e le reti wireless, che devono accedere e operare nelle aree ad alto rischio. Per la sicurezza delle attività industriali, infatti, è necessario che i componenti delle reti di controllo e automazione non solo si conformino alle normative per prevenire l’innesco di gas e polveri esplosive, ma siano anche in grado di assicurare comunicazioni sicure e affidabili con ridondanze e protocolli idonei a gestire in maniera sicura eventuali errori o guasti.

Atex e IECex

Nel corso degli anni sono state introdotte una molteplicità di normative, raccomandazioni e linee guida per la corretta installazione e gestione delle apparecchiature (non solo di controllo e comunicazione) in aree a rischio. Le normative e le classificazioni cambiano a seconda della area geografica, ma i principi guida sono comprensibilmente similari. In particolare, nell’Unione Europea si seguono le normative Atex (ATmosphères EXplosibles): la 2014/34/EU ‘Apparecchiature e sistemi di protezione per uso in atmosfere potenzialmente esplosive’, nota anche come Atex 95, e la 1999/92/EC ‘Requisiti minimi per incrementare la sicurezza e la protezione dei lavoratori in aree a rischio di esplosione’, nota come Atex 137. Negli Stati Uniti, invece, si seguono le indicazioni Nfpa 70 del Codice Elettrico Nazionale (NEC), che tratta delle zone a rischio negli articoli 500 (Aree a rischio, classi I, II e II, divisioni 1 e 2) e 505 (Zone 0, 1 e 2). Nello standard IEC60079 della Commissione Elettrotecnica Internazionale sono inclusi i requisiti generali delle apparecchiature per uso in atmosfere esplosive, le specifiche di sicurezza intrinseca (Ex i) e le norme per una corretta progettazione, selezione e realizzazione di reti elettri in questi ambienti. IECex è un sistema di certificazione globale fornito da IEC che eroga certificati di aderenza agli standard internazionali di sicurezza per apparecchiature, personale operativo e servizi di gestione e manutenzione. In Europa la direttiva Atex stabilisce la classificazione degli ambienti a rischio esplosione in base alla probabilità e alla durata della presenza di un’atmosfera esplosiva. Per gli ambienti con gas: Zona 0 è un’area dove un’atmosfera esplosiva è presente continuamente o per lunghi periodi, come all’interno di serbatoi di stoccaggio; Zona 1 è un’area dove un’atmosfera esplosiva è probabile durante il normale funzionamento, come intorno a flange e valvole; Zona 2 è un’area dove un’atmosfera esplosiva è improbabile durante il normale funzionamento e, se si verifica, persiste solo per un breve periodo. Per gli ambienti con polveri la classificazione in zone si ripete, anteponendo il prefisso ‘2’ alla classificazione di zona, per cui abbiamo: Zona 20 per presenza costante di polveri, per esempio all’interno di silos; Zona 21 per presenza probabile di polveri, come intorno ai macchinari per la movimentazione; la relativamente più sicura Zona 22 descrive, per esempio, le aree di stoccaggio. Le apparecchiature sono classificate in categorie: Cat.1 per le Zone 0 e 20, Cat.2 per le Zone 1 e 21, Cat.3 per le Zone 2 e 22. Queste classificazioni permettono di stabilire quali siano le apparecchiature appropriate per prevenire esplosioni e garantire la sicurezza zona per zona.

La prevenzione è… l’unica soluzione

I diversi metodi di prevenzione delle esplosioni in aree a rischio si focalizzano sulla rimozione di uno o più componenti del cosiddetto ‘triangolo del fuoco’: combustibile, comburente e fonte di ignizione. La protezione primaria consiste nel prevenire, o comunque limitare, la formazione di atmosfere esplosive, per esempio controllando la concentrazione di sostanze infiammabili tramite ventilazione. Quando il rischio di esplosione non può essere scongiurato in questa maniera, subentrano i metodi di protezione secondaria, che si focalizzano sulla rimozione delle fonti di ignizione (archi, scintille, alte temperature) e, infine, quelli di protezione terziaria, che puntano a limitare gli effetti di un’eventuale esplosione confinandola all’interno di involucri ignifughi e robusti, se non addirittura di container corazzati. Nell’ambito della protezione secondaria, è di fondamentale importanza il concetto di sicurezza intrinseca (IS-Intrisic Safety): si tratta di un approccio alla progettazione di componenti e sistemi che limita la quantità di energia disponibile per l’ignizione, garantendo che, anche in caso di guasto, non ci sia energia sufficiente per provocare scintille o innalzamenti di temperatura in grado di innescare un’esplosione. I metodi per limitare tensioni e correnti includono barriere Zener, isolatori ottici e magnetici, e portano a entità certificate IS che rientrano sotto la dizione di reti ‘Ex i’, regolate dallo standard IEC60079-11. Esiste anche un approccio meno restrittivo, in cui i componenti sono progettati per non produrre archi, scintille o superfici calde durante il loro normale funzionamento: si tratta dei componenti non-infiammabili (Ex n), che possono essere utilizzati in Zona 2. La sicurezza aumentata (Ex e), che fa capo alla sezione 7 dello standard IEC60079, contempla l’irrobustimento di tecnologie esistenti, ricorrendo a tecniche di isolamento, all’incapsulamento dei dispositivi in contenitori rinforzati e all’incremento della protezione meccanica di cavi e connettori. La finalità è sempre quella di prevenire la formazione di punti caldi o scintille con energia oltre la soglia di innesco, e questo approccio è tipicamente adottato in apparecchiature ad alta potenza, come motori e illuminazione. Altri metodi includono: il contenimento delle esplosioni (Ex-d), ricorrendo a involucri resistenti per confinare l’eventuale esplosione in una zona circoscritta; la segregazione (Ex-p), che isola fisicamente le parti elettriche o le superfici calde dalle miscele esplosive, incapsulandole in resine solide o racchiudendole in contenitori pressurizzati; e l’esclusione, che impedisce la presenza di un’atmosfera esplosiva intorno alle apparecchiature elettriche, utilizzando gas inerti pressurizzati o l’immersione in olio minerale.

Sicurezza intrinseca

La sicurezza intrinseca (Ex i) gioca un ruolo di primo piano nella progettazione di bus di campo, sensori e attuatori per l’automazione e il controllo di processo in atmosfere potenzialmente esplosive. Un dispositivo o componente intrinsecamente sicuro deve essere progettato in maniera tale da non poter generare archi, scintille o dissipazioni termiche, tali da superare la soglia di innesco del combustibile, nemmeno in caso di guasti, danneggiamenti, errori di cablaggio od operazioni di manutenzione. Tutti i circuiti di un sistema Ex-i devono essere dotati di meccanismi di limitazione della corrente di cortocircuito e della massima sovratensione raggiungibile. La limitazione dell’energia nei componenti elettrici si traduce in una limitazione di tensioni e correnti, e delle componenti circuitali e parassite che possono accumulare energia (capacità e induttanza interne). Questo vale tanto per controllori e interfacce, quanto per i cavi che trasmettono i dati (se su rame), per la radiazione elettromagnetica delle comunicazioni senza fili e per la radiazione ottica dei collegamenti in fibra. Le soluzioni tecniche per limitare l’energia nei circuiti elettrici sono essenzialmente due: barriere Zener e isolatori galvanici. Le barriere Zener sono dispositivi più semplici, che limitano la tensione e la corrente a livelli sicuri utilizzando diodi Zener, resistori e fusibili in misura eventualmente ridondante, a seconda del tipo di protezione necessaria. I diodi Zener, protetti da un fusibile, stabiliscono un tetto alla tensione massima anche in caso di iniezione di segnali spurii, mentre un resistore in serie con il dispositivo in zona Ex limita la corrente a livelli sicuri, anche in presenza di corto circuito accidentale. Gli isolatori galvanici utilizzano trasformatori o fotoaccoppiatori per trasferire i segnali tra due punti senza una connessione elettrica diretta, garantendo che eventuali alte tensioni o sovratensioni in zona sicura non influenzino le grandezze elettriche nella zona a rischio esplosione. Esiste anche una soluzione ibrida che sposa i due approcci ed è quella delle barriere isolate.

Approcci per le reti nelle zone a rischio

I bus di campo sono nati come alternativa alle soluzioni centralizzate con connessioni puntopunto e agli I/O remoti con lo scopo di minimizzare il cablaggio e semplificare gestione e manutenzione della rete di controllo. Soluzioni di cablaggio strutturato rendono possibile connettere più apparecchiature su una stessa linea, in molti casi utilizzando lo stesso cavo dati per portare la tensione di alimentazione a sensori e attuatori sul campo. Quando, però, il campo è in una zona a rischio esplosione, la limitazione della massima energia disponibile pone un severo limite al numero di nodi che condividono le medesima fonte di alimentazione. Per ovviare ai limiti imposti dalla massima potenza erogabile, in un approccio di sicurezza intrinseca ‘puro’, sono state proposte alternative più ‘rilassate’, per zone meno severe, come gli approcci Fisco e Fnico, e una modalità di distribuzione delle alimentazioni in aree a rischio che va sotto il nome di Power Trunk. Il concetto di entità a sicurezza intrinseca (ISE-Intrinsic Safety Entity) prevede che i 3 componenti del sottosistema di comunicazione, ovvero il dispositivo sul campo, il cablaggio e la barriera che si connette alla zona sicura, debbano essere intrinsecamente sicuri con valori compatibili di massima tensione, corrente e potenza (Vmax, Imax, Pmax), nonché di capacità e induttanza interne (Ci, Li). In particolare, i bus di campo basati su Ethernet possono trarre vantaggio dall’implementazione dell’Adavance Physical Layer (APL), che realizza una connessione bifilare intrinsecamente sicura (2-Wise-Wire intrinsically safe Ethernet), in grado di portare simultaneamente alimentazione e dati ai dispositivi in zona a rischio esplosione. L’impiego di componenti certificati dai produttori semplifica enormemente il processo di certificazione del sistema di cui fanno parte, ma i limiti sulla massima potenza si traducono in tratte di lunghezza limitata, spesso con un massimo di 4 nodi. L’approccio Fisco (Fieldbus intrinsically safe concept) cerca di porre rimedio a queste limitazioni, fissando limiti di massima meno stringenti per i valori di induttanza e capacità interna dei cavi, in modo tale da rendere possibili lunghezze di tratta fino a 1.000 m e un maggior numero di nodi per tratta, con correnti più alte nelle zone che lo consentono. La standardizzazione dei parametri semplifica ulteriormente la progettazione e la certificazione del sistema intrinsecamente sicuro. L’approccio Fnico (Fieldbus non-incendive concept) permette di rilassare ulteriormente le restrizioni sulla potenza, e si applica a zone dove il rischio di esplosione è presente solo in condizioni anomale, e non durante il normale funzionamento. Laddove le ancorché rilassate limitazioni dei modelli Fisco e Fnico dovessero risultare troppo restrittive, il concetto di Power Trunk rappresenta un’alternativa che si distanzia dall’approccio di sicurezza intrinseca per offrire lunghezze di tratta superiori, supportare un maggior numero di dispositivi ed erogare potenze più alte. La sicurezza in termini di potenza erogata viene garantita sulle diramazioni che portano ai sensori e agli attuatori sul campo. Ovviamente, la maggior potenza sui tronchi deve essere accompagnata da corrispondenti misure di sicurezza in termini di protezione meccanica dei cavi (guaine protettive rinforzate o cablaggio in condotti a tenuta). Cavi di questo tipo possono essere reperiti per tutti i principali bus di campo.

Qualità particolari

Al di là della prevenzione del meccanismo di ignizione, le reti di comunicazione con il campo nelle zone ad alto rischio devono essere dotate di particolari caratteristiche di affidabilità, robustezza e ridondanza, per assicurarne il funzionamento in condizioni avverse e rispondere in maniera tempestiva in caso di danneggiamento di una parte del sistema. Una qualità desiderabile è il supporto delle strategie CIF (Control in the Field), in cui i diversi dispositivi sul campo sono messi in condizione di comunicare direttamente tra loro, così da continuare a operare in maniera sicura anche in caso di perdita di comunicazione con resto del sistema di controllo. Le comunicazioni peer-to-peer in topologie a maglia sono facilmente implementabili nelle reti senza fili, che sono da tempo una componente essenziale dell’Industria 4.0, in particolare nei settori della logistica, nel controllo e monitoraggio della produzione e nelle applicazioni di manutenzione predittiva. La protezione dalle esplosioni nelle reti wireless viene garantita riducendo le potenze di trasmissione, per non generare correnti indotte pericolose, aderendo agli standard di compatibilità elettromagnetica (EMC), così da evitare interferenze che comprometterebbero le corrette comunicazioni con il campo, e incapsulando gli access point con i circuiti potenzialmente pericolosi in involucri a prova di incendio e di esplosione. Nelle aree a rischio, bus di campo e reti wireless devono poter contare su protocolli incentrati sulla sicurezza. Questo significa aderenza agli standard, ma anche soluzioni che garantiscano l’integrità dei dati ricevuti, meccanismi per il rilevamento degli errori e capacità di autocorrezione. I protocolli di rete devono essere in grado di garantire l’integrità del sistema di comunicazione anche in caso di guasto o incidente. Le funzioni di autodiagnostica sono essenziali per identificare e aggirare malfunzionamenti, ma ancora di più per prevenirli, grazie alle tecniche di manutenzione preventiva. Infine, in un’epoca sempre più incentrata su standard aperti, l’interoperabilità con prodotti di diversi fornitori assicura la flessibilità necessaria per scegliere, caso per caso, le soluzioni più adatte in termini di sicurezza, affidabilità e durata.

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