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 Ω/km a 150 Ω/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”.