เนื้อหาวันที่ : 2011-12-21 10:23:00 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 4439 views

ระบบเอาต์พุตแบบ Intrinsically Safe

ระบบ Intrinsic Safety ในยุโรปมีการใช้งานกันอย่างกว้างขวางเพื่อความปลอดภัยในการติดตั้งและใช้งานเครื่องมือวัดในพื้นที่อันตราย

ทวิช ชูเมือง

          ในการควบคุมกระบวนการผลิตจะมีการติดตั้งระบบควบคุมการผลิตทั้งที่เป็นแบบ DCS (Distributed Control System) หรือ PLC (Programmable Logic Controller) ระบบควบคุมกระบวนการผลิตเหล่านี้จะต้องมีการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์หรือเครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรมต่าง ๆ ที่ถูกติดตั้งอยู่ในกระบวนการผลิต ผ่านส่วนที่อินพุตและเอาต์พุต (Input and Output Cards)

ซึ่งการเชื่อมต่อเหล่านี้ก็จะเป็นส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าจากระบบควบคุมไปควบคุมการทำงานเครื่องมือวัดต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตที่เกี่ยวข้องกับสารติดไฟได้ (Flammable Gas) สามารถที่จะเกิดการลุกไหม้หรือการระเบิดเกิดขึ้นได้ ถ้ามีพลังงานความร้อนหรือประกายไฟที่เพียงพอและมีบรรยากาศติดไฟที่เหมาะสม ซึ่งพลังงานความร้อนหรือประกายไฟเหล่านี้อาจจะเกิดขึ้นมาจากความผิดปกติบนตัวเครื่องมือวัดที่ถูกติดตั้งอยู่ในพื้นที่ ๆ มีสารติดไฟรั่วไหลออกมา

ดังนั้นในการใช้งานเครื่องมือวัดในอุตสาหกรรมประเภทนี้จึงต้องมีการป้องกันจากสาเหตุดังกล่าว ซึ่งระบบการป้องกันที่นิยมใช้งานกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันจะเป็นระบบ Intrinsic Safety โดยระบบ Intrinsic Safety จะใช้สำหรับป้องกันเครื่องมือวัดและวงจรไฟฟ้าแรงดันต่ำ ๆ (Low Voltage Circuits) ในพื้นที่อันตราย (Hazardous Area) จากการปล่อยพลังงานที่เพียงพอในการจุดระเบิดก๊าซติดไฟที่ทำให้เกิดการระเบิดได้

ซึ่งระบบ Intrinsic Safety ในยุโรปมีการใช้งานกันอย่างกว้างขวางเพื่อความปลอดภัยในการติดตั้งและใช้งานเครื่องมือวัดในพื้นที่อันตราย เนื่องจากในการใช้งานระบบ Intrinsic Safety มีตัวแปรต่าง ๆ หลายตัวแปรที่ต้องพิจารณา จึงทำให้ในการใช้งานสามารถพบปัญหาในการเลือกใช้งานอุปกรณ์ในระบบ Intrinsic Safety ได้บ่อยครั้ง ปัญหาหลัก ๆ ก็จะเป็นการเลือกใช้อุปกรณ์ที่ไม่เหมาะสมสำหรับนำมาต่อใช้งานร่วมกัน

ผลที่ตามมาก็จะทำให้ระบบไม่สามารถใช้งานตามฟังก์ชันที่ต้องการได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้งานกับเอาต์พุตที่เป็นวาล์วปิดเปิด ที่ใช้ร่วมกับโซลินอยด์วาล์ว (Solenoid Valve) สำหรับในบทความนี้ก็จะเป็นการแสดงหลักพื้นฐานการทำงานของวงจร Intrinsic Safety และแนวทางเบื้องต้นในการตรวจสอบตัวแปรต่าง ๆ ที่จำเป็นในการพิจารณาเลือกอุปกรณ์ในระบบ Intrinsic Safety เพื่อให้เหมาะกับเอาต์พุตของระบบควบคุม 

อุปกรณ์แบบ Intrinsically Safe
          วงจรในระบบ Intrinsically Safe ทั้งหมดจะมีการทำงานที่ซับซ้อนกว่าการต่อเครื่องมือวัดใช้งานแบบทั่วไป ซึ่งในวงจร Intrinsically Safe จะประกอบไปด้วยอุปกรณ์ที่สำคัญทำงานร่วมกันอยู่ 3 ส่วนดังนี้ 
          * อุปกรณ์บริเวณใช้งานจะเป็นอุปกรณ์ Intrinsically Safe ดังเช่น Transmitters หรือเครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรมต่าง ๆ
          * ส่วนจำกัดพลังงานหรือที่รู้จักกันทั่วไปคือ Barrier 
          * อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับระบบ Intrinsically Safe ดังเช่น สายไฟ

          การออกแบบวงจร Intrinsically Safe สำหรับเครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรมในพื้นที่อันตรายแล้ว จะเริ่มต้นด้วยขั้นตอนการวิเคราะห์อุปกรณ์บริเวณใช้งานที่เป็นเครื่องมือวัดหรือ Transmitters ต่าง ๆ เพื่อจะนำข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์นี้ ไปใช้เป็นการกำหนดหรือเลือกชนิดของ Barrier ที่เหมาะสม เพื่อทำให้เครื่องมือวัดสามารถทำงานได้ภายใต้สภาวะปกติ แต่ยังคงมีความปลอดภัยหรือไม่เป็นตัวจุดระเบิด ภายใต้สภาวะเกิดความผิดปกติ (Fault Conditions) ขึ้นที่ส่วนใดส่วนหนึ่งในวงจร

          วงจร Intrinsically Safe มากกว่า 85% จะมีความเกี่ยวข้องกับเครื่องมือวัดแบบทั่วไป ดังแสดงในตารางที่ 1 แสดงอุปกรณ์ Intrinsically Safe โดยประมาณที่มีใช้งานในพื้นที่อันตราย

ตารางที่ 1 อุปกรณ์ Intrinsically Safe

          อุปกรณ์ Intrinsically Safe หรืออุปกรณ์ในบริเวณใช้งาน (Field Devices) จะถูกแบ่งแยกออกได้เป็น 2 ประเภทคือ อุปกรณ์แบบ Simple และอุปกรณ์แบบ Non-Simple

          * อุปกรณ์แบบ Simple ถูกแสดงรายละเอียดของคำจำกัดความอยู่ในหัวข้อที่ 3.12 ของ มาตรฐาน ANSI/ISA-RP 12.6 ว่าเป็นอุปกรณ์ใด ๆ ซึ่งไม่มีการกำเนิดหรือเก็บพลังงานมากกว่า 1.2 Volt, 0.1 Amps, 25 mW หรือ 20 µJ ตัวอย่างของอุปกรณ์แบบ Simple จะเป็นอุปกรณ์แบบหน้าสัมผัส, เทอร์โมคัปเปิล, RTDs, LEDs, Noninductive Potentiometer และความต้านทาน

อุปกรณ์แบบ Simple เหล่านี้ ไม่ต้องมีการรับรอง (Approved) ว่าเป็นอุปกรณ์ Intrinsically Safe แต่ถ้าถูกนำไปต่อใช้งานเข้ากับอุปกรณ์ Intrinsically Safe ที่ถูกรับรองดังเช่น Barrier ทำให้ทั้งวงจรจะถูกพิจารณาว่าเป็นวงจร Intrinsically Safe ได้

          * อุปกรณ์แบบ Non-Simple เป็นอุปกรณ์ที่สามารถกำเนิดหรือเก็บพลังงานได้มากกว่าอุปกรณ์แบบ Simple ตัวอย่างเช่น Transmitter, Transducer, Solenoid Valve และ Relays ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้จะต้องมีการรับรองว่าเป็นอุปกรณ์ Intrinsically Safe และเมื่อได้รับการรับรองภายใต้แนวคิด Entity (Entity Concept) แล้ว อุปกรณ์เหล่านี้จะมีค่าตัวแปร Entity เป็นดังนี้
          Vmax = Maximum Voltage Allowed
          Imax = Maximum Current Allowed
          Ci = Internal Capacitance
          Li = Internal Inductance

          ค่า Vmax และ Imax จะมีความหมายที่ตรงตัวอยู่แล้ว จะเป็นค่ากระแสและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อุปกรณ์ Intrinsically Safe จะทนได้ภายใต้สภาวะปกติ โดยค่าแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่เกินกว่าค่าสูงสุดนี้ สามารถเกิดขึ้นและถูกส่งผ่านไปยังอุปกรณ์ที่บริเวณใช้งานได้จากระบบควบคุมที่อยู่ในห้องควบคุม

โดยค่าแรงดันและกระแสไฟฟ้าเกินกว่าค่า Vmax และ Imax ของอุปกรณ์เหล่านี้ สามารถทำให้เกิดความร้อนสูงหรือจุดประกายและจุดระเบิดก๊าซในพื้นที่อันตรายได้ เช่นเดียวกับค่า Ci และ Li แสดงค่าความเป็นไปได้ของอุปกรณ์ในการเก็บพลังงานในรูปแบบของค่าคาปาซิแตนซ์ (Internal Capacitance) และค่าอินดักแตนซ์ (Internal Inductance) ภายใน

          นอกจากนั้นแล้วอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ถูกรับรอง (Approved) ในระบบ Intrinsically Safe ยังมีการแบ่งชนิดตามความผิดพลาด (Fault) ที่ถูกกำหนดหรือรวมกับความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นในตัวมันเอง ได้เป็นอีก 2 ประเภทดังนี้

          * อุปกรณ์ประเภท “ia”
          อุปกรณ์ประเภทนี้จะต้องไม่เป็นตัวจุดระเบิด เมื่อเกิดเหตุการณ์ต่าง ๆ ดังนี้
                    - เกิดความผิดพลาดขึ้นหนึ่งครั้งในการทำงานปกติ หรือ
                    - เกิดความผิดพลาดร่วมกันสองครั้ง
           อุปกรณ์ประเภท “ia” สามารถนำไปใช้ในพื้นที่อันตราย Zone 0 เพราะว่ามีค่าความปลอดภัยสูง และยังสามารถนำไปใช้ในพื้นที่อันตราย Zone 1 และ 2 ได้

          * อุปกรณ์ประเภท “ib”
          อุปกรณ์ประเภทนี้จะต้องไม่เป็นตัวจุดระเบิดในสภาวะการทำงานปกติและมีความผิดพลาดเกิดขึ้นหนึ่งครั้ง  สามารถนำไปใช้ในพื้นที่อันตราย Zone 1 และ 2 แต่ไม่สามารถนำไปใช้กับ Zone 0 ได้ 

การจำกัดพลังงาน (Limiting Energy)
          การป้องกันอุปกรณ์ Intrinsically Safe ในพื้นที่อันตราย ต้องมีการติดตั้งอุปกรณ์จำกัดพลังงาน โดยทั่วไปจะเรียกว่า อุปกรณ์ Intrinsically Safe ที่เกี่ยวข้อง (Associated Apparatus) หรือ Barrier ภายใต้สภาวะการทำงานปกติอุปกรณ์จำกัดพลังงานจะอนุญาตให้อุปกรณ์ Intrinsically Safe ที่ถูกติดตั้งอยู่ในกระบวนการผลิตทำงานตามหน้าที่ปกติ เมื่ออยู่ภายใต้สภาวะผิดปกติ มันจะทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันวงจรของอุปกรณ์ในบริเวณใช้งานที่เป็นพื้นที่อันตราย โดย การป้องกันความดันและกระแสเกินกว่าอุปกรณ์ Intrinsically Safe จะทนได้ วงจรพื้นฐานของ Intrinsically Safe Barrier แสดงได้ดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 Intrinsically Safe Barrier

          จากรูปที่ 1 Intrinsically Safe Barrier จะมีชิ้นส่วนที่สำคัญอยู่ 3 ส่วนใน Barrier ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวจำกัดกระแสและแรงดัน ซึ่งประกอบไปด้วยส่วนต่าง ๆ ดังนี้
          * ความต้านทาน
          * ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diodes) อย่างน้อย 2 ตัว
          * ฟิวส์

          ความต้านทานทำหน้าที่เป็นตัวจำกัดกระแสที่ค่ากำหนด หรือที่รู้จักกันดีในค่ากระแสลัดวงจร (Isc) ซีเนอร์ไดโอดใช้ทำหน้าที่จำกัดแรงดันไฟฟ้า โดยถ้าแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าค่าแรงดันไฟฟ้าเปิดวงจร (Voc) ของตัวซีเนอร์ไดโอด จะทำให้ซีเนอร์ไดโอดนำกระแสและฟิวส์ละลายขาดออก ทำให้วงจรไฟฟ้าเปิดวงจร ซึ่งจะเป็นการป้องกันตัวซีเนอร์ไดโอดลุกไหม้และป้องกันค่าแรงดันไฟฟ้าออกไปยังอุปกรณ์เครื่องมือวัดที่ถูกติดตั้งอยู่ในพื้นที่อันตราย

โดยปกติแล้วจะมีการติดตั้งซีเนอร์ไดโอดอย่างน้อย 2 ตัวต่อกันแบบขนานกันในแต่ละ Intrinsically Safe Barrier สำหรับใช้เป็นตัวสำรองในการทำงาน ถ้าตัวใดตัวหนึ่งเกิดความผิดปกติขึ้น ตัวที่เหลืออยู่จะทำหน้าที่แทนได้

          ในการดำเนินการวิเคราะห์ความปลอดภัยของวงจร Intrinsically Safe Barrier ในลำดับแรก จะทำการเปรียบเทียบค่าตัวแปร Entity ของอุปกรณ์ Intrinsically Safe เทียบกับอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องหรือ Barrier โดยปกติตัวแปรเหล่านี้จะถูกแสดงอยู่ในใบรับรองจากผู้ผลิตอุปกรณ์ การเปรียบเทียบตัวแปรเหล่านี้ควรจะมีการรวมค่าตัวแปรที่อยู่ในสายไฟที่ต่ออยู่ระหว่างอุปกรณ์ด้วยเสมอ ตัวแปร Entity หลักๆจะแสดงรายละเอียดได้ดังตารางที่ 2

ตารางที่ 2 ค่าตัวแปร Entity ของอุปกรณ์ Intrinsically Safe

การทำงานของวงจร Intrinsically Safe
          ในการใช้งานวงจร Intrinsically Safe Barrier เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องแน่ใจว่าวงจร Intrinsically Safe จะทำงานภายใต้สภาวะปกติด้วยความต้านทานจำกัดกระแส ซึ่งจะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม (Voltage Drop) ขึ้นระหว่างด้านอินพุตและเอาต์พุตของ Barrier ซึ่งค่าแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมค่านี้ จะต้องถูกนำไปรวมเข้ากับการออกแบบวงจร Intrinsically Safe ซึ่งรายละเอียดการออกแบบจะแสดงรายละเอียดในหัวข้อต่อไป

การกำหนดระดับพลังงานที่ปลอดภัย
          การจำกัดระดับแรงดันและกระแสไฟฟ้าจะกำหนดได้โดย กราฟการจุดระเบิด (Ignition Curves) ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 กราฟการจุดระเบิด (Ignition Curves)

          สำหรับวงจรไฟฟ้าที่มีแรงดัน 30 โวลต์และมีกระแส 150 มิลลิแอมป์ จะอยู่บนระดับการจุดระเบิดในก๊าซกลุ่ม A การรวมกันระหว่างแรงดันและกระแสไฟฟ้า จะทำให้เกิดประกายไฟที่มีขนาดใหญ่เพียงพอที่จะทำให้จุดระเบิดก๊าซที่รวมกับออกซิเจนอย่างเหมาะสม การใช้งานวงจร Intrinsically Safe โดยปกติจะอยู่ต่ำกว่าระดับนี้ เมื่อระดับพลังงานในการทำงานจะอยู่ประมาณ 1 วัตต์หรือน้อยกว่า นอกจากนั้นยังมีกราฟค่าคาปาซิแตนซ์และค่าอินดักแตนซ์ ซึ่งต้องมีการตรวจสอบในวงจร Intrinsically Safe

          สามารถแสดงตัวอย่างการใช้งานเทอร์โมคัปเปิลในพื้นที่อันตราย โดยตัวเทอร์โมคัปเปิลจะถูกจัดให้เป็นอุปกรณ์แบบ Simple ซึ่งจะไม่กำเนิดหรือเก็บพลังงานที่เพียงพอต่อการจุดระเบิดของก๊าซติดไฟใด ๆ ถ้านำระดับพลังงานของเทอร์โมคัปเปิล ไปวาดลงบนกราฟในรูปที่ 2 จะมีค่าใกล้กับระดับจุดระเบิดของก๊าซในกลุ่ม A

          ถ้าเทอร์โมคัปเปิล ถูกติดตั้งอยู่ในพื้นที่อันตรายดังรูปที่ 3 ซึ่งไม่สามารถกล่าวได้ว่าเป็นวงจร Intrinsically Safe เพราะว่าความผิดปกติอาจเกิดขึ้นบนตัวบันทึก เป็นสาเหตุทำให้มีพลังงานส่วนเกินออกไปยังพื้นที่อันตราย ดังแสดงในรูปที่ 4 เพื่อเป็นการทำให้แน่ใจว่าเป็นวงจร Intrinsically Safe ต้องทำการติดตั้ง Barrier ในการจำกัดพลังงานส่วนเกินจากตัวบันทึกที่จะออกไปยังตัวเทอร์โมคัปเปิล ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 3 เทอร์โมคัปเปิลในพื้นที่อันตราย

รูปที่ 4 เทอร์โมคัปเปิลกับความผิดปกติ

รูปที่ 5 เทอร์โมคัปเปิล กับ Barrier

การออกแบบวงจร Intrinsically Safe สำหรับเอาต์พุต
          เอาต์พุตแบบ Digital จะเป็นการปิดหน้าสัมผัสในระบบ DCS เพื่อทำการส่งผ่านแรงดันไฟฟ้าไปยังอุปกรณ์ที่อยู่ในกระบวนการผลิต โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์ที่มักจะใช้งานร่วมกับเอาต์พุตแบบ Digital จะเป็นโซลินอยด์วาล์วหรือ LEDs ซึ่งสามารถทำให้เป็นวงจร Intrinsically Safe ได้อย่างง่าย สำหรับโซลินอยด์วาล์ว สามารถเลือกใช้ Barrier เหมือนกับแบบอื่น ๆ ส่วน LEDs อาจต้องการ Barrier ที่แตกต่างออกไป

          มันมีทั้งข้อดีและเสีย สำหรับการทำให้วงจรที่มีโซลินอยด์วาล์วเป็นวงจร Intrinsically Safe ข้อเสียคือการออกแบบวงจรแบบนี้จะมีลักษณะไม่เหมือนกับ Transmitters ที่จะมีค่าแรงดันไฟฟ้าทำงานต่ำสุด บ่อยครั้งที่ผู้ผลิตวาล์วจะแสดงค่าแรงดันและกระแสไฟฟ้าทำงานของโซลินอยด์วาล์ว การเลือก Barrier ที่เหมาะสม ต้องรู้คุณลักษณะการทำงานต่ำสุดภายใต้สภาวะการทำงานแย่ที่สุดของโซลินอยด์วาล์ว

ถ้าไม่มีค่าตัวแปรเหล่านี้จะเป็นเรื่องค่อนข้างยากในการเลือก Barrier ที่จะทำให้วงจรทำงานได้อย่างถูกต้องและยังคงต้องดำเนินการตรวจสอบค่าตัวแปร Entity ของวาล์วด้วยเสมอ สภาวะที่อาจกระทบต่อคุณลักษณะการทำงานเป็นอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมที่สูงเกินไป ตำแหน่งของวาล์วและระยะความยาวของสายไฟ

          ส่วนข้อดีนั้นจะมีโซลินอยด์วาล์วที่ถูกรับรองในแบบ Intrinsically Safe เป็นจำนวนมากสำหรับการเลือกใช้ โดยโรงงานผู้ผลิตจะทำการทดสอบโซลินอยด์วาล์วแบบ Intrinsically Safe กับ Barrier แบบทั่วไปที่ถูกใช้งานในวงจรอินพุตแบบ Analog และ Digital โดยมีแรงดันไฟฟ้าทำงานที่ 24 VDC กับความต้านทานเท่ากับหรือน้อยกว่า 350 โอห์ม ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 Barrier สำหรับ Solenoid Valves

          การกำหนด Barrier ที่เหมาะสม เริ่มจากพื้นฐาน เมื่อวงจรเอาต์พุตแบบ Digital ทำงานที่แรงดันไฟฟ้า 24 VDC โดยหน้าสัมผัสจะทำการปิด/เปิด แรงดันไฟฟ้าขั้วบวก ถ้าใช้ Barrier ที่มีแรงดันไฟฟ้าทำงาน 24 VDC และรู้ค่ากระแสทำงานต่ำสุดของโซลินอยด์วาล์วและอิมพีแดนซ์ภายในคอยล์ ทำให้สามารถคำนวณค่าอิมพีแดนซ์สูงสุดของ Barrier และสายไฟ

          ดังตัวอย่างถ้ากำหนดให้โซลินอยด์วาล์วมีค่ากระแสทำงานต่ำสุดเท่ากับ 28 มิลลิแอมป์และอิมพีแดนซ์ของคอยล์เท่ากับ 400 โอห์ม จะสามารถหาค่าอิมพีแดนซ์สูงสุดในวงจรเท่ากับ 875 โอห์ม (24/0.028=875)

          ถ้าอิมพีแดนซ์ภายในของคอยล์เท่ากับ 400 โอห์ม จะได้ค่าอิมพีแดนซ์ของ Barrier และสายไฟควรจะเท่ากับ 457 โอห์ม (875-400=457) ค่าความต้านทานของสายไฟขนาด 2.5 ตารางมิลลิเมตรที่ 60 องศาเซลเซียสมีค่าเท่ากับ 40 โอห์มต่อกิโลเมตร ซึ่งจะทำให้ได้ค่าความต้านทานสูงสุดของ Barrier เท่ากับ 417 (457 - 40)

          การเลือก Barrier ทำได้อย่างง่ายเป็นดังนี้
          1. เลือก Barrier เป็นแบบ DC ที่มีแรงดันทำงานเท่ากับ 24 โวลต์
          2. คำนวณค่าความต้านทานสูงสุดของ Barrier ดังตัวอย่างที่ผ่านมา
          3. ยืนยันตัวแปร Entity ของโซลินอยด์วาล์วต้องเหมาะสมกับ Barrier เป็นดังนี้
          รายละเอียดตัวแปร Entity แสดงอยู่ในตารางที่ 2

LED’s (Light Emitting Diodes)
          LEDs จัดเป็นอุปกรณ์แบบ Simple เนื่องจากไม่สามารถเก็บพลังงาน (Capacitance หรือ Inductance) ดังนั้นจึงไม่ต้องการรับรอง อย่างไรก็ดียังคงต้องมีการใช้งานร่วมกับ Barrier ในวงจร Intrinsically Safe ตัวอย่าง LEDs มีแรงดันทำงานที่ 24, 18, 12 หรือ 6 โวลต์และทำงานที่ค่ากระแสประมาณ 25 มิลลิแอมป์

          โดยทั่วไปแล้วในการทำงานจะมีแรงดันตกคร่อม Barrier ดังนั้นจึงต้องเลือกให้แรงดันทำงานของ LEDs ให้ต่ำกว่า 24 โวลต์ ถ้าใช้ Barrier ที่แรงดันทำงาน 24 โวลต์ หลังจากลบแรงดันทำงานของ LEDs ความแตกต่างนี้จะไปตกคร่อมอยู่ระหว่าง Barrier ที่ค่ากระแสการทำงาน โดยใช้กฎของโอห์ม (V=IR) ในการคำนวณอิมพีแดนซ์ภายในของ Barrier ดังตัวอย่างต่อไปนี้
          * แรงดันและกระแสทำงานของ LEDs เท่ากับ 12 โวลต์และ 25 มิลลิแอมป์
          * แรงดันตกคร่อม Barrier เป็น 12 โวลต์ (24-12=12)
          * อิมพีแดนซ์ภายในของ Barrier เท่ากับ 480 โอห์ม (12/0.028=480)

เลือก Barrier เป็นแบบ DC 24 โวลต์กับค่าอิมพีแดนซ์ภายในประมาณ 480 โอห์ม ดังรูปที่ 7

รูปที่ 7 Barrier สำหรับ LED’s

Analog Output
          เอาต์พุตแบบ Analog จะเป็น I/P Transducer โดยจะให้สัญญาณเอาต์พุตเป็นความดันลม (Pneumatic Signal) ที่เป็นอัตราส่วนกับสัญญาณกระแสที่จ่ายให้ ถ้าค่าสัญญาณกระแสมีค่ามากก็จะทำให้สัญญาณความดันลมสูงตามไปด้วย ถ้าเป็นแบบการทำงานโดยตรง ซึ่งการทำงานจะมีความแตกต่างจากการทำงานของโซลินอยด์วาล์วที่จะทำงานเป็นแบบปิดกับเปิด I/P Transducer จะถูกต่อเข้ากับส่วนเอาต์พุตแบบ Analog ของระบบ DCS ที่จะเป็นตัวส่งสัญญาณกระแสที่ต้องการไปยัง I/P Transducer

          I/P Transducer ต้องมีการรับรองค่าตัวแปร Entity ซึ่งตัว I/P Transducer จะกระทำตัวเหมือนความต้านทานในวงจร สิ่งที่ควรรู้สำหรับใช้ในการเลือก Barrier สำหรับ I/P Transducer จะเป็นดังนี้
          * I/P Transducer อิมพีแดนซ์
          * ภาระของตัวขับสูงสุดที่ส่งสัญญาณกระแส
          * ค่าตัวแปร Entity ของ I/P Transducer

          ภาระของตัวขับมีค่าเป็นโอห์ม วัดค่าภาระสูงสุด (Maximum Load) ของ DCS ที่สามารถขับได้ การเลือก Barrier จะใช้คุณลักษณะเป็นดังนี้
          * I/P Transducer มีค่าอิมพีแดนซ์เป็น 150 โอห์ม
          * ภาระตัวขับด้านเอาต์พุตสูงสุดเป็น 1000 โอห์ม

          Barrier ต้องมีความต้านทานภายในน้อยกว่า 850 โอห์ม (1000-150=850) การตรวจสอบแรงดันทำงานของ Barrier โดยการคำนวณแรงดันตกคร่อมของวงจร ดังตัวอย่าง โดยใช้ Barrier และสายไฟเหมือนตัวอย่างของโซลินอยด์วาล์ว

          ค่าอิมพีแดนซ์รวม (Barrier + I/P Transducer + Cable) ของวงจรจะเท่ากับ 540 โอห์ม (350+150+40) ที่ค่ากระแสสูงสุดเป็น 20 มิลลิแอมป์ แรงดันตกคร่อมเท่ากับ 10.8 โวลต์ (540 x 0.02) เลือกค่าแรงดันทำงานของ Barrier เท่ากับหรือสูงกว่า 10.8 โวลต์ ถ้า Barrier มีค่าแรงดันทำงานที่ 12 โวลต์หรือสูงกว่ากับค่าความต้านทานภายในเป็น 150 โอห์ม น่าจะเป็นตัวเลือกที่ดี ดังแสดงในรูปที่ 8 จากนั้นทำการตรวจสอบเพื่อยืนยันค่าตัวแปร Entity ของBarrier และ อุปกรณ์ให้เหมาะสมกัน

รูปที่ 8 Barrier สำหรับ I/P Transducers

          ตัวอย่างแนวทางในการเลือก Barrier แบบ Zener เบื้องต้น แสดงได้ดังตารางที่ 3 สำหรับในรายละเอียดแล้วต้องปรึกษากับผู้ผลิต

ตารางที่ 3 แนวทางการเลือก Zener Barrier เบื้องต้น

การติดตั้งระบบ Intrinsically Safe
          สายไฟในวงจร Intrinsically Safe ต้องถูกติดตั้งแยกออกจากสายไฟในระบบอื่น ๆ โดยวางอยู่ในท่อโลหะหรือมีระยะห่างประมาณ 5 เซนติเมตรหรือ 2 นิ้วในอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 9 การเดินสายไฟในระบบ Intrinsically Safe

          สายไฟในระบบ Intrinsically Safe ต้องเป็นสีฟ้าสว่าง (Light Blue) รวมไปถึงรางสายไฟ (Raceways) หรือตัวต่อสายไฟ (Terminals) ที่บริเวณหน้าตู้หรือกล่องต่อสายต้องมีป้ายแสดงว่าเป็นระบบ Intrinsically Safe เพื่อป้องกันความผิดพลาดในการทำงานที่ไม่ตั้งใจ ตัวอย่างการติดตั้ง Barrier แสดงได้ดังรูปที่ 10

รูปที่ 10 วงจรที่เป็นระบบ Intrinsically Safe

การติดตั้ง Barrier
          Barrier ปกติจะถูกติดตั้งอยู่ในกล่องหรือตู้ต่อสายที่ป้องกันฝุ่นและความชื้น โดยตู้หรือกล่องต่อสายไฟจะถูกติดตั้งอยู่ในพื้นที่ปลอดภัย (Non-Hazardous Area) เฉพาะด้านเอาต์พุตของ Barrier เท่านั้นที่จะเป็นวงจร Intrinsically Safe ตู้หรือกล่องต่อสายที่มีการติดตั้ง Barrier ควรจะถูกติดตั้งให้ใกล้กับพื้นที่อันตรายให้มากที่สุด เพื่อลดความยาวของสายไฟและเพิ่มค่าคาปาซิแตนซ์ของวงจร ถ้าถูกติดตั้งอยู่ในพื้นที่อันตราย กล่องหรือตู้ต่อสายต้องเลือกให้เหมาะสมกับพื้นที่อันตราย

การต่อลงดิน (Grounding)
          ในการพิจารณาระบบการต่อลงดินนั้น ในขั้นตอนแรกต้องกำหนดว่าจะเลือกใช้ Barrier เป็นแบบใด Grounded (Zener Barrier) หรือ Galvanic Isolator ซึ่งตัว Barrier แบบ Galvanic Isolator จะมีขนาดใหญ่และมีราคาสูง ซึ่งไม่ต้องการระบบต่อลงดินสำหรับความปลอดภัย

          สำหรับ Grounded Barrier หรือ Zener จะมีขนาดเล็ก, มีราคาถูก แต่ต้องการระบบต่อลงดิน เพื่อเบี่ยงเบนพลังงานส่วนเกินไม่ให้ออกไปยังพื้นที่อันตราย

หัวข้อหลัก ๆ ของระบบการต่อลงดินในระบบ Intrinsically Safe เป็นดังนี้
          * ส่วนการต่อลงดินต้องมีความต้านทานน้อยกว่า 1 โอห์มจากระบบการต่อสายไฟไปยัง Main Grounding Electrode
          * ขนาดสายไฟต้องมีขนาดอย่างต่ำ 12 AWG
          * จุดต่อของระบบการต่อลงดินต้องแน่น, ถาวร, มองเห็นได้ชัดและเข้าถึงได้ง่ายในการตรวจสอบ
          * การต่อลงดินของระบบ Intrinsically Safe ต้องแยกออกจากการต่อลงดินเพื่อความปลอดภัย (Safety Ground) เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าที่เกิดมาจากกระแสผิดปกติจากอุปกรณ์อื่นๆ

          ระบบการต่อลงดินที่ไม่ดีสามารถมีอิทธิพลต่อการทำงานของระบบ โดยการเกิดรบกวนในสัญญาณการวัด ดังแสดงในรูปที่ 11

รูปที่ 11 การต่อลงดินที่ไม่เหมาะสม

          จากรูปที่ 11 จะแสดงระบบการต่อลงดินที่ไม่เหมาะสม ถ้ามีจำนวนจุดต่อลงดินมากกว่าหนึ่งจุดจะทำให้เกิด Ground Loop ได้ ซึ่งสามารถทำให้สัญญาณเบี่ยงเบนหรือเหนี่ยวนำแรงดันขึ้นในวงจร Intrinsically Safe วิธีการป้องกันของการต่อลงดินแสดงได้ดังรูปที่ 12 โดยการรวมจุดต่อลงดินเข้าด้วยกันเป็นจุดเดียวในระบบ

รูปที่ 12 การรวมจุดต่อลงดิน

การกันรั่ว (Sealing)
          การกันรั่วในระบบ Intrinsically Safe เป็นการป้องกันการเดินทางของก๊าซหรือไอที่ติดไฟได้จากพื้นที่อันตรายไปยังพื้นที่ปลอดภัย ไม่ได้เป็นการป้องกันเปลวไฟจากการระเบิด การกันรั่วจากการระเบิด (Explosion Proof Seal) ไม่ต้องการในระบบ Intrinsically Safe เหมือนกับการใช้ระบบป้องกันทางกลในการป้องกันทางเดินของก๊าซ

ดังเช่น ห้องความดันสำหรับระบบควบคุม (Pressurized room) หรือการใช้ยางกันรั่วที่บริเวณจุดต่อและระบบสายไฟ ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่ได้ทำการตกลงกันทางการค้าว่า เพียงแค่ใช้ซิลิโคนก็เหมาะสมสำหรับเป็นยางกันรั่วในระบบ Intrinsically Safe  เพื่อป้องกันการเดินทางของก๊าซ อย่างไรก็ตามการใช้งานต้องอยู่ในความยินยอมของผู้รับผิดชอบหรือผู้ใช้งาน

          เมื่อ Barrier ถูกติดตั้งอยู่ในกล่องกันระเบิด (Explosion Enclosure) และถูกติดตั้งอยู่ในพื้นที่อันตราย ต้องมีการใช้ Explosion Seal ดังแสดงในรูปที่ 13


รูปที่ 13 การติดตั้ง Barrier ในพื้นที่อันตราย

          เนื่องจากมีท่อสายไฟที่ไม่ได้เป็นวงจร Intrinsically Safe ระหว่างพื้นที่อันตรายและพื้นที่ปลอดภัย ดังนั้นจึงต้องมีการกันรั่วทั้งสองด้าน

การซ่อมบำรุง
          ระบบ Intrinsically Safe ไม่ต้องมีการซ่อมบำรุงพิเศษใดๆ การตรวจเช็ค Barrier ปีละครั้งว่า จุดต่อสายไฟแน่น, ความต้านทานระบบต่อลงดินมีค่าน้อยกว่า 1 โอห์ม, ตัว Barrier ไม่มีความชื้นหรือสิ่งสกปรก ตรวจสอบระบบการเดินสายไฟมีการแยกออกจากระบบอื่นๆ มีการป้ายแสดงระบบ Intrinsically Safe อย่างชัดเจน

          ต้องไม่ทำการทดสอบ Barrier ด้วยโอห์มมิเตอร์หรือเครื่องมือทดสอบใด ๆ ขณะที่ Barrier ต่ออยู่ในวงจร ดังแสดงในรูปที่ 14 การ Bypass ตัว Barrier อาจเป็นการเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าขึ้นในวงจร Intrinsically Safe

รูปที่ 14 การทดสอบ Barrier ที่ไม่ควรทำ

การแก้ปัญหา
          ถ้าวงจร Intrinsically Safe ทำงานไม่ถูกต้อง หลังจากการติดตั้งสมบูรณ์และมีการจ่ายไฟแล้ว แนวทางแก้ปัญหาเป็นดังนี้
          * ตรวจสอบจุดต่อต้องแน่นไม่หลวม
          * ตรวจสอบจุดต่อสายไฟถูกต้อง
          * ตรวจสอบว่ามีการจ่ายไฟให้กับวงจรแล้ว
          * ตรวจสอบว่าความต้านทานใน Barrier มีค่ามากเกินไปในวงจรหรือไม่ (ดังตัวอย่างในการคำนวณ)
          * ตรวจสอบฟิวส์ของตัว Barrier

การเปลี่ยน Barrier
          ถ้าฟิวส์ของ Barrier มีการขาดหรือละลาย โดยปกติจะเป็นผลมาจากแรงดันไฟฟ้าเกินใน Barrier เป็นผลทำให้ ซีเนอร์ไดโอดนำกระแส และมีค่ากระแสสูงผ่านฟิวส์ หลังจากตรวจสอบสาเหตุของแรงดันเกิน ต้องมีการเปลี่ยน Barrier ขั้นตอนในการเปลี่ยน โดยการถอดสายไฟออกจาก Barrier ในด้านปลอดภัยก่อนและในส่วนพื้นที่อันตรายต่อไป จากนั้นถอดสายต่อลงดิน พันสายไฟส่วนที่เป็นตัวนำด้วยฉนวน ทำการเปลี่ยน Barrier ทำการต่อสายย้อนขั้นตอนการถอด ต้องจำไว้ว่าต้องต่อลงดินก่อนและถอดออกที่หลังสุด

          สำหรับผู้ที่สนใจหรือต้องการใช้งานระบบ Intrinsically Safe กับเครื่องมือวัดในโรงงานอุตสาหกรรมที่รับผิดชอบอยู่    รายละเอียดที่แสดงไปแล้วทั้งหมดข้างต้น สามารถใช้เป็นแนวทางในการออกแบบวงจรหรือเครื่องมือวัดทางอุตสาหกรรมในระบบ Intrinsically Safe ได้ หรือใช้เป็นในการตรวจสอบตัวแปรหลักต่าง ๆ ที่สำคัญของทั้งในเครื่องมือวัดและตัว Barrier เพื่อให้แน่ใจว่าตัวแปรนั้นมีความเหมาะสมกันและใช้งานร่วมกันได้เป็นอย่างดี

เอกสารอ้างอิง
          [1] Paul S. Babiarz,” Intrinsic Safety Circuit Design,” Intech, ISA, 1993.

          [2] ทวิช ชูเมือง, “Industrial Instrumentation Engineering and Design Part I: Control system and Basic information, Chapter 6: Hazardous Area Classification”, บริษัท ดวงกมลสมัย จำกัด, 2549.

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด