Metodyka projektowania podzespołów RFID o budowie przeciwwybuchowej przeciwwybuchowej

W skład typowego systemu RFID wchodzą układ antenowy i czytnik RFID oraz rozmieszczone na identyfikowanych obiektach transpondery [24]. Adaptacja takiego systemu do podziemnych wyrobisk górniczych wymaga aby wszystkie jego elementy mogły pracować w przestrzeniach zagrożonych wybuchem (rys. 4.1). Transpondery są montowane trwale do identyfikowanego obiektu (np.: maszyny, lampy górnicze) i znajdują się ciągle, bądź przez długi okres czasu w przestrzeni zagrożonej wybuchem, natomiast czytnik RFID może pracować w trakcie odczytu zarówno w strefach niebezpiecznych, jak i poza nimi. Dlatego wszystkie elementy tego systemu powinny być w wykonaniu przeciwwybuchowym.

Rysunek 4.1. Typowy system RFID dla kopalń.

Obwód antenowy czytnika RFID wypromieniowuje energię elektromagnetyczną także w przestrzeni zagrożonej wybuchem, stwarzając możliwość wystąpienia co najmniej dwóch sytuacji zagrażających wybuchem. Pierwszą sytuacją jest możliwość powstania wybuchu poprzez wypromieniowanie przez obwód antenowy zbyt dużej gęstości energii a drugą jest możliwość zapłonu termicznego na skutek nagrzania się transpondera w polu

elektromagnetycznym czytnika. Dlatego w trakcie projektowania należy koniecznie uwzględnić oba te zdarzenia dostosowując wprowadzane funkcje bezpieczeństwa przeciwwybuchowego do poziomu bezpieczeństwa wymaganego przez miejsce pracy danego urządzenia.

Projektowanie urządzeń elektrycznych i elektronicznych spełniających wymagania dyrektywy ATEX związane jest z koniecznością spełnienia najwyższych przemysłowych standardów bezpieczeństwa. Zaproponowany proces projektowania urządzeń elektrycznych i elektronicznych przeznaczonych do pracy w przestrzeniach zagrożonych wybuchem można podzielić na kilka etapów, od których zależy zarówno konstrukcja urządzenia, przyjęte rozwiązania techniczne (technologiczne), jak i miejsca, w których te urządzenia mogą być stosowane.

W pierwszym etapie projektowania (rys. 4.2) należy dokonać klasyfikacji urządzenia według wytycznych podanych w dyrektywie, która dzieli przestrzenie zagrożone wybuchem na występujące w przemyśle górniczym i w innych gałęziach przemysłu. Rozróżnienie przemysłu górniczego od pozostałych gałęzi wynika ze specyfiki górnictwa, w którym istnieje zagrożenie wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego oraz szereg dodatkowych wymagań środowiskowych. Zatem urządzenia przeznaczone do pracy w przemyśle górniczym należy od razu zabezpieczyć przed dwoma czynnikami: gazem i pyłem. Drugą cechą charakterystyczną przemysłu górniczego jest trudna i ograniczona (do wydzielonych stref) kontrola nad rozprzestrzenianiem się mieszaniny wybuchowej. W chwili zagrożenia obszary w podziemiach kopalń muszą być odpowiednio wentylowane i wyizolowywane przez systemy zapór i śluz.

Rysunek 4.2. Iteracyjny cykl projektowania urządzeń o budowie przeciwwybuchowej.

Drugi etap projektowania (rys. 3.4) polega na określeniu procedury oceny zgodności (załącznik A) z wymaganiami zasadniczymi dyrektywy. Przyjęty schemat działań pozwoli określić wszystkie wymagania stawiane tego typu urządzeniom i zapewni, że kolejne egzemplarze takich urządzeń będą również bezpieczne. Bardzo często ze względu na wieloletnie tradycje firm zajmujących się tymi zagadnieniami etap ten pomija się, gdyż jest on naturalną konsekwencją prowadzenia procesu produkcji tego typu urządzeń powodując płynne przejście do kolejnego etapu projektowania.

Odpowiednia klasyfikacja i przyjęty sposób działania w przypadku opracowywania konstrukcji urządzenia o budowie przeciwwybuchowej pozwala przejść do właściwego projektowania, które powinno polegać na przystosowywaniu opracowanego rozwiązania do pracy w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. W pierwszej kolejności konieczne jest opracowanie koncepcji bezpieczeństwa systemowego, co wiąże się z określeniem gdzie w systemie umieszczone zostanie urządzenie i z jakimi elementami oraz w jaki sposób będzie połączone. Taka analiza w połączeniu z odpowiednią klasyfikacją urządzenia pozwala na wybór odpowiednich środków ochrony przeciwwybuchowej.

Należy podkreślić, że nie każdy rodzaj zabezpieczenia przeciwwybuchowego jest zawsze możliwy do zastosowania ze względu na wymagania dyrektywy ATEX, wobec czego konstruktor nie może dowolnie wybierać środków ochrony. Często ze względu na sposób eksploatacji urządzenia i/lub wymagany bardzo wysoki stopień bezpieczeństwa (kategoria: M1 lub 1 – rys. 3.2) stosować można tylko określone środki ochrony lub ich kombinacje.

Dodatkowy problem, jaki się pojawia na tym etapie projektowania, polega na tym, że dowolnego typu ochrony przeciwwybuchowej nie da się zastosować do każdego urządzenia elektrycznego lub elektronicznego. Przykładowo, z wielu względów wynikających ze szczegółowych wymagań urządzeń budowy przeciwwybuchowej, zastosowanie hermetyzacji pomaga rozwiązać wiele problemów związanych z bezpieczeństwem, ponieważ jednoznacznie osłania obwody elektroniczne przed dostępem mieszaniny wybuchowej. Jednak może ona wpływać na funkcjonalność, w szczególności w obwodach bardzo wrażliwych na zmianę otoczenia, jakimi przykładowo zawsze są obwody wysokiej częstotliwości. Dlatego rozwiązywanie tego typu problemów polega na znalezieniu konsensusu pomiędzy funkcjonalnością, a bezpieczeństwem i bardzo często wymaga naukowego podejścia oraz przeprowadzenia dodatkowych prac badawczych, testów i pomiarów. Można zatem stwierdzić, że etap projektowania jest złożonym cyklem iteracyjnym (rys. 4.2), podczas którego przechodząc od idei do szczegółowego rozwiązania można napotkać wiele problemów technicznych powodujących utratę funkcjonalności i/lub bezpieczeństwa. Ich rozwiązanie możliwe jest na drodze modyfikacji koncepcji budowy przeciwwybuchowej lub funkcjonalnej konstrukcji urządzenia.

Po zakończeniu etapu projektowania należy opracować dokumentację techniczną, która wraz z urządzeniem prototypowym poddawana jest ocenie w jednostce notyfikowanej (moduł B – załącznik A tab. A.1). Weryfikacja konstrukcji przeciwwybuchowej, którą przeprowadza jednostka, polega na ocenie konstrukcji elektronicznej i mechanicznej urządzenia oraz przeprowadzeniu niezbędnych badań. Wielokrotnie w trakcie tej weryfikacji konieczny jest powrót do etapu projektowania, gdyż urządzenie nie spełnia wymagań bezpieczeństwa przeciwwybuchowego. Zmiany w projekcie związane z tym problemem wiążą się już z dużymi dodatkowymi kosztami, jakie należy ponieść w celu wniesienia niezbędnych poprawek. Z tego powodu duży nacisk kładzie się na bardzo dokładne

rozwiązanie zagadnień bezpieczeństwa na wstępnych etapach projektowania.

Pozytywnie przejście badań w jednostce notyfikowanej kończy się wydaniem certyfikatu badania typu WE.

Opisane w pracy rozwiązania konstrukcyjne zapewniające osiągnięcie wymaganego stopnia ochrony budowy przeciwwybuchowej opracowano na podstawie odpowiednich analiz oraz badań eksperymentalnych posiadających oryginalny plan badawczy, przeprowadzonych na etapie projektowania.