W silosie zbożowym powietrze pachnie mchem i ciepłym ziarnem. Warstwa pyłu na powierzchniach ma milimetr grubości, ale po wzburzeniu podmuchem, drganiami przenośnika, otwarciem klapy serwisowej ten milimetr zamienia się w obłok palnych cząstek sięgający pięciu metrów. Wystarczy źródło zapłonu: gorąca powierzchnia, iskra z obwodu elektrycznego, wyładowanie elektrostatyczne.  

Panel operatorski zamontowany w takim miejscu pracuje w ciągłym sąsiedztwie materiału wybuchowego. Jeśli jego temperatura powierzchni przekracza próg zapłonu pyłu, jeśli obudowa przepuszcza cząstki do wnętrza, jeśli obwody elektryczne mogą wygenerować iskrę o wystarczającej energii, urządzenie staje się zapalnikiem. 

Dobór panelu do strefy zagrożonej wybuchem zaczyna się od umiejętności odczytania oznaczeń ATEX. Cyfra, litera, klasa temperaturowa, stopień ochrony. Każdy z tych symboli niesie informację o fizyce wybuchu, przetłumaczoną na język specyfikacji technicznej. 

Czym jest dyrektywa ATEX i kogo dotyczy? 

ATEX to skrót od francuskiego Atmosphères Explosibles, czyli „atmosfery wybuchowe”. Pod tą nazwą kryją się dwa akty prawne Unii Europejskiej regulujące bezpieczeństwo w przestrzeniach, gdzie takie atmosfery mogą wystąpić. 

Dyrektywa 2014/34/UE, zwana ATEX 114, jest skierowana do producentów, importerów i dystrybutorów. Określa wymagania techniczne dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do pracy w atmosferze potencjalnie wybuchowej. Producent musi zapewnić, że jego wyrób posiada znak CE, symbol Ex oraz certyfikat badania typu wydany przez niezależną jednostkę notyfikowaną. Dyrektywa ta zastąpiła starszą dyrektywę 94/9/WE. 

Dyrektywa 1999/92/WE, zwana ATEX 137 lub ATEX USER, dotyczy pracodawców i właścicieli obiektów. Nakłada na nich obowiązek wyznaczenia stref zagrożenia wybuchem, przeprowadzenia oceny ryzyka i opracowania Dokumentu Zabezpieczenia Przed Wybuchem (DZPW). DZPW musi zawierać wykaz przestrzeni zagrożonych, ich klasyfikację na strefy oraz opis środków ochronnych. Pracodawca odpowiada też za szkolenie pracowników i utrzymanie urządzeń w stanie technicznym gwarantującym bezpieczeństwo. 

Podział odpowiedzialności jest precyzyjny. Producent projektuje i certyfikuje urządzenie. Pracodawca wyznacza strefę i dobiera do niej sprzęt. Pracownik przestrzega procedur: zakaz otwartego ognia, zakaz używania telefonów komórkowych w wyznaczonych obszarach, stosowanie środków ochrony indywidualnej. Dyrektywy ATEX obowiązują we wszystkich krajach UE oraz EFTA. W Polsce ich postanowienia wdrożono rozporządzeniami Ministra Rozwoju i Ministra Gospodarki. 

Czym wyróżniają się strefy gazowe 0, 1 i 2? 

Strefy dla gazów, par i mgieł klasyfikuje się na podstawie jednego kryterium: jak często i jak długo w danym miejscu utrzymuje się atmosfera wybuchowa. 

  • Strefa 0 

Jest to przestrzeń, w której mieszanina wybuchowa jest obecna stale, przez długie okresy lub często. Orientacyjny próg: ponad 1000 godzin w roku. Typowe lokalizacje to wnętrza zbiorników, reaktorów chemicznych i rurociągów prowadzących substancje palne. Urządzenia pracujące w strefie 0 muszą należeć do kategorii 1G i posiadać najwyższy poziom zabezpieczenia, oznaczany jako EPL Ga. Skrót EPL pochodzi od angielskiego Equipment Protection Level i oznacza poziom ochrony urządzenia. Ga gwarantuje, że sprzęt pozostaje bezpieczny nawet w przypadku dwóch jednoczesnych, niezależnych usterek. 

  • Strefa 1 

Ta strefa obejmuje obszary, w których atmosfera wybuchowa pojawia się sporadycznie podczas normalnej pracy. Czasowo odpowiada to przedziałowi od 10 do 1000 godzin rocznie. Sąsiedztwo otworów wentylacyjnych, punktów napełniania i opróżniania, nieszczelnych zaworów. Wymagana kategoria urządzenia: 2G z poziomem EPL Gb, który zapewnia bezpieczeństwo przy jednej usterce lub częstych zakłóceniach pracy. 

  • Strefa 2 

W tej kategorii znajdują się miejsca, w których atmosfera wybuchowa normalnie nie występuje. Jeśli się pojawi, trwa krótko i wynika z awarii: pęknięcia rurociągu, uszkodzenia uszczelki, nieprzewidzianego wycieku. Orientacyjnie mniej niż 10 godzin w roku. Dopuszczalne są tu urządzenia kategorii 3G z poziomem EPL Gc, które zapewniają brak źródeł zapłonu podczas poprawnej, bezawaryjnej pracy. 

Na zasięg i klasyfikację strefy wpływają dwa czynniki: charakter źródła emisji (ciągła, okresowa, awaryjna) oraz skuteczność wentylacji. Dobrze zaprojektowana wentylacja potrafi ograniczyć zasięg strefy, a w skrajnych przypadkach zredukować ją do rozmiarów pomijalnych. Szczegółowe zasady wyznaczania stref zawiera norma PN-EN 60079-10-1. 

Czym są strefy pyłowe 20, 21 i 22? 

Strefy pyłowe działają na tej samej zasadzie co gazowe. Klasyfikacja opiera się na prawdopodobieństwie i czasie występowania atmosfery wybuchowej. Zagrożenie tworzą tu obłoki palnego pyłu unoszące się w powietrzu. Jest jednak istotna różnica: pyły osiadłe. Warstwa pyłu na obudowie panelu, na konstrukcji wsporczej, na podłodze to materiał, który w każdej chwili może zostać wzburzony do postaci chmury. 

  • Strefa 20 

Jest to przestrzeń, w której obłok palnego pyłu utrzymuje się stale lub przez długie okresy. Ponad 1000 godzin rocznie. Wnętrza silosów, młynów, filtrów pyłowych, mieszalników. Wymagane urządzenia: kategoria 1D, poziom EPL Da. 

  • Strefa 21 

Obejmuje ona miejsca, gdzie atmosfera wybuchowa może pojawić się sporadycznie podczas normalnej eksploatacji. Od 10 do 1000 godzin w roku. Stacje pod silosami, punkty przesypowe, okolice nieszczelnych instalacji. Wymagana kategoria: 2D, poziom EPL Db. Szczelność obudowy musi odpowiadać stopniowi IP6X, czyli pełnej pyłoszczelności. Cyfra 6 w oznaczeniu IP oznacza, że pył nie przedostaje się do wnętrza w żadnych warunkach. 

  • Strefa 22 

Są to obszary, w których obłok pyłu normalnie nie powstaje, a jeśli się pojawi, trwa bardzo krótko. Mniej niż 10 godzin rocznie. Przestrzenie wokół urządzeń zawierających pył, obszary pod przenośnikami taśmowymi, klapy serwisowe. Dopuszczalne urządzenia: kategoria 3D, poziom EPL Dc. Wymagany stopień ochrony to co najmniej IP5X. 

Pyły dzielą się na trzy podgrupy w zależności od wielkości cząstek i przewodności elektrycznej: 

  • IIIA to lotne włókna palne (bawełna, sztuczny jedwab). 
  • IIIB to pyły nieprzewodzące: cukier, mąka, mączka drzewna. 
  • IIIC to pyły przewodzące, takie jak sproszkowane aluminium, żelazo czy grafit. Podgrupa IIIC jest najbardziej niebezpieczna, bo pył przewodzący po wniknięciu do obudowy może spowodować zwarcie i zapłon. 

W strefach pyłowych nie stosuje się klas temperaturowych T1–T6 znanych ze stref gazowych. Producent podaje maksymalną temperaturę powierzchni urządzenia bezpośrednio, np. T80°C lub T135°C. Przy doborze obowiązują dwa marginesy bezpieczeństwa. Temperatura powierzchni panelu nie może przekraczać dwóch trzecich minimalnej temperatury zapłonu obłoku pyłu. Musi też być o co najmniej 75°C niższa od temperatury zapłonu warstwy pyłu o grubości do 5 mm. Jeśli na obudowie panelu może gromadzić się warstwa grubsza niż 5 mm, margines rośnie dalej, zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 60079-14. 

Jak strefa wpływa na wybór klawiatury lub panelu? 

Każda strefa narzuca konkretną kombinację parametrów, które panel operatorski musi spełniać. Panel operatorski, w terminologii branżowej nazywany HMI (od angielskiego Human-Machine Interface, czyli interfejs człowiek-maszyna), to wyświetlacz z ekranem dotykowym lub klawiaturą, przez który operator steruje maszyną lub procesem technologicznym. Odczytanie oznaczenia na tabliczce znamionowej sprowadza się do sprawdzenia kilku rzeczy jednocześnie. 

  • Kategoria urządzenia i hierarchia stref 

Kategoria 1G lub 1D oznacza sprzęt do stref 0 i 20. Kategoria 2G lub 2D przeznaczona jest do stref 1 i 21. Kategoria 3G lub 3D dopuszcza pracę w strefach 2 i 22. Litera G wskazuje dopuszczenie do atmosfery gazowej, D do pyłowej. Obowiązuje zasada hierarchii: urządzenie wyższej kategorii może pracować w strefie o niższym ryzyku (panel kategorii 1G wolno zamontować w strefie 2), ale nigdy odwrotnie. Panel kategorii 3G zamontowany w strefie 1 łamie przepisy i stwarza zagrożenie. 

  • Podgrupa wybuchowości 

Dla gazów oznacza się ją symbolami IIA, IIB i IIC. IIA obejmuje gazy stosunkowo trudne do zapalenia: propan, aceton, benzen. IIB to substancje o średnim poziomie zagrożenia, np. etylen. IIC to grupa najbardziej wymagająca, obejmująca wodór, acetylen i dwusiarczek węgla. Urządzenie z oznaczeniem IIC jest uniwersalne i pokrywa wymagania grup IIA oraz IIB. Odwrotnie nie działa: panel oznaczony IIA nie nadaje się do strefy, w której występuje wodór. 

Analogiczna hierarchia obowiązuje w podgrupach pyłowych IIIA, IIIB i IIIC. Urządzenie z oznaczeniem IIIC obsługuje wszystkie rodzaje pyłów. Panel oznaczony IIIA nie może pracować w obecności pyłów przewodzących. 

  • Klasa temperaturowa 

W strefach gazowych urządzenia klasyfikuje się od T1 (maksymalna temperatura powierzchni 450°C) do T6 (maksimum 85°C). Temperatura samozapłonu gazu w strefie musi być wyższa niż maksymalna temperatura powierzchni panelu. Klasa T6 jest najbardziej restrykcyjna i jednocześnie najbardziej uniwersalna, bo pokrywa wymagania wszystkich pozostałych klas. W strefach pyłowych, jak opisano wyżej, producent podaje temperaturę bezpośrednio. 

  • Poziom EPL 

EPL integruje dyrektywę ATEX z normami międzynarodowymi IEC, co ma znaczenie przy eksporcie urządzeń poza Europę. Ga i Da to najwyższy stopień zabezpieczenia, przeznaczony do stref 0 i 20. Gb i Db odpowiadają strefom 1 i 21. Gc i Dc wystarczają w strefach 2 i 22. 

  • Litery „X” i „U” w certyfikacie 

Litera „X” na końcu numeru certyfikatu ATEX oznacza, że urządzenie wymaga spełnienia dodatkowych warunków bezpiecznego użytkowania. Może to być np. zakaz czyszczenia suchą szmatką (ryzyko wyładowań elektrostatycznych), konieczność zastosowania konkretnych dławnic kablowych albo wymóg zapewnienia minimalnej przestrzeni wokół obudowy. Szczegóły znajdują się w certyfikacie badania typu i trzeba je przeczytać przed montażem. 

Litera „U” wskazuje, że urządzenie jest komponentem Ex, nie samodzielnym produktem. Klawiatura membranowa z oznaczeniem „U” wymaga zabudowy w certyfikowanej obudowie, aby całość spełniała wymagania ATEX i mogła nosić znak CE. Sam komponent nie jest dopuszczony do samodzielnej pracy w strefie zagrożonej wybuchem. 

Metody ochrony 

Producenci paneli HMI stosują różne techniki zabezpieczeń, oznaczane symbolami Ex: 

  • Ex i (iskrobezpieczeństwo) ogranicza energię elektryczną w obwodach do poziomu, przy którym ewentualna iskra jest za słaba, żeby zapalić atmosferę wybuchową. Metoda popularna w klawiaturach membranowych i czujnikach. Pozwala projektować lekkie, ergonomiczne interfejsy bez ciężkich obudów.  
  • Ex d (osłona ognioszczelna) oznacza, że obudowa wytrzymuje wybuch wewnątrz urządzenia i nie pozwala płomieniowi przedostać się na zewnątrz. Ciężka, kosztowna, stosowana tam, gdzie elementy panelu mogą iskrzyć podczas normalnej pracy.  
  • Ex p (ochrona nadciśnieniowa) polega na wypełnieniu wnętrza szafy sterowniczej czystym powietrzem lub gazem ochronnym pod nadciśnieniem, co fizycznie wypycha atmosferę wybuchową na zewnątrz. Rozwiązanie ekonomiczne przy dużych instalacjach z wieloma panelami HMI.  
  • Ex t (zabezpieczenie obudową) stosuje się w strefach pyłowych. Polega na zapewnieniu wysokiego stopnia ochrony IP, który uniemożliwia wnikanie pyłu do wnętrza.  
  • Ex m (hermetyzacja) oznacza, że podzespoły mogące powodować zapłon (moduły wyświetlaczy, cewki) są zalewane masą izolacyjną, trwale odcinającą je od atmosfery zewnętrznej.  

W nowoczesnych panelach często łączy się kilka metod jednocześnie, np. osłonę ognioszczelną dla głównych komponentów z obwodami iskrobezpiecznymi dla zewnętrznej klawiatury. 

Poza parametrami certyfikacyjnymi panel do strefy Ex musi spełniać też wymagania użytkowe. Ekran dotykowy powinien reagować na dotyk w rękawicach roboczych, stąd częste zastosowanie technologii rezystancyjnej, reagującej na siłę nacisku zamiast na przewodność palca. Wyświetlacz musi być czytelny pod szerokim kątem i przy silnym oświetleniu. Strefy Ex występują też na zewnątrz, na przykład na platformach wiertniczych, gdzie rażące słońce i solanka stawiają dodatkowe wymagania materiałowe.  

Jakie są najczęstsze błędy przy doborze urządzenia do strefy Ex? 

Błędy przy doborze paneli do stref ATEX mają wspólną cechę: wynikają z pobieżnego odczytania oznaczenia lub z pominięcia jednego parametru. 

Pierwszy, chyba najdroższy w skutkach: zamontowanie panelu IIA w strefie, gdzie występuje wodór (wymagający oznaczenia IIC). Podgrupa wybuchowości decyduje o tym, w obecności jakich substancji urządzenie może bezpiecznie pracować. Panel IIA nie jest projektowany z myślą o gazach o najwyższej łatwości zapłonu. Certyfikat tego nie dopuszcza, a konsekwencje przekroczenia normy mogą być natychmiastowe. 

Drugi błąd dotyczy klasy temperaturowej. Jeśli gaz w strefie zapala się przy 100°C, panel klasy T4 (maks. 135°C) jest za gorący. Potrzebna jest klasa T6 (maks. 85°C). Na papierze różnica wydaje się niewielka. Decyduje jednak o tym, czy powierzchnia urządzenia może stać się źródłem zapłonu. 

Trzeci to pomylenie komponentu Ex z samodzielnym urządzeniem. Klawiatura z oznaczeniem „U” wymaga zabudowy w certyfikowanej obudowie, ponieważ zamontowana samodzielnie, bez odpowiedniej integracji, traci status wyrobu zgodnego z ATEX, formalnie i fizycznie. 

Szkodliwe może też być niedostosowanie stopnia ochrony IP do strefy pyłowej. W strefie 21 wymagana jest pełna pyłoszczelność IP6X. Montaż panelu z ochroną IP5X w takiej strefie oznacza, że drobne cząstki pyłu mogą przenikać do wnętrza obudowy. Przy pyłach przewodzących (podgrupa IIIC) skutkiem bywa zwarcie. 

Innym błędem jest ignorowanie marginesów temperaturowych przy pyłach osiadłych. Jeśli na obudowie panelu gromadzi się warstwa pyłu grubsza niż 5 mm, standardowe marginesy bezpieczeństwa nie wystarczają. Norma PN-EN 60079-14 wymaga ich zwiększenia, a wielu instalatorów o tym zapomina, bo warstwa pyłu rzadko jest pierwszym elementem, który sprawdzają. 

Rzadziej dyskutowanym błędem jest dobór urządzenia „w górę” bez analizy kosztów. Panel kategorii 1G zamontowany w strefie 2 jest bezpieczny i zgodny z przepisami. Jest też kilkakrotnie droższy niż panel kategorii 3G, który w tej strefie byłby wystarczający. Nadmiarowe zabezpieczenie nie narusza prawa, ale obciąża budżet bez proporcjonalnej poprawy bezpieczeństwa. 

Jak dobór wygląda od strony QWERTY? 

W QWERTY klawiatury membranowe i foliowe projektujemy z myślą o pracy we wszystkich strefach ATEX, od strefy 0 do strefy 22. Zaczynamy od materiałów, bo muszą być one dobrane tak, żeby nie powodowały iskrzenia, nie gromadziły ładunków elektrostatycznych i nie osiągały temperatur mogących zapalić otaczającą atmosferę. Od tego zależy cała dalsza konstrukcja. 

Uszczelnienia w naszych klawiaturach projektujemy pod wymagania obu rodzajów stref. W pyłowych chronią wnętrze przed przenikaniem cząstek; w gazowych zapobiegają wnikaniu substancji palnych. Klawiatury z oznaczeniem Ex spełniają te wymagania od etapu projektu, co ułatwia klientowi uzyskanie certyfikacji ATEX dla całego urządzenia końcowego. 

Produkujemy komponenty Ex, oznaczone literą „U”. Klawiatura jest przeznaczona do zabudowy w certyfikowanej obudowie klienta. Nie certyfikujemy końcowego produktu. Dostarczamy element, który tę certyfikację umożliwia. Różnica jest istotna, bo odpowiedzialność za integrację komponentów w gotowe urządzenie spoczywa na producencie końcowym. 

Podświetlenie, fronty szklane, bonding optyczny (proces klejenia warstw eliminujący warstwę powietrza między szkłem a wyświetlaczem, co poprawia czytelność i odporność mechaniczną) da się zrealizować w ramach rygorów bezpieczeństwa Ex. Każdy z tych elementów przechodzi weryfikację pod kątem wpływu na parametry ochrony przeciwwybuchowej, zanim trafi do produkcji. 

Nasze rozwiązania działąją w rafineriach, zakładach chemicznych, kopalniach i na platformach wiertniczych. Projektujemy pod warunki, w których panel operatorski musi wytrzymać sól, wilgoć, skrajne temperatury, drgania i jednocześnie zachować czytelność ekranu oraz precyzję obsługi w rękawicach roboczych.  

W silosie zbożowym z pierwszego akapitu warstwa pyłu nadal ma milimetr grubości. Nadal wystarczy jedno źródło zapłonu, żeby milimetr zmienił się w pięciometrowy obłok palnych cząstek. Między „bezpiecznie” a „za późno” stoi kilka symboli na tabliczce znamionowej panelu operatorskiego: kategoria, podgrupa wybuchowości, klasa temperaturowa, stopień IP, metoda ochrony. Umiejętność ich odczytania to fundament decyzji, od której zależy bezpieczeństwo instalacji. I ludzi, którzy przy niej pracują.