Les industries de procédés manipulent quotidiennement des gaz inflammables, des liquides volatils et des poussières combustibles. Dans ces emplacements dangereux, les instruments électriques présentent un risque potentiel constant d’inflammation. Les ingénieurs qui conçoivent des réseaux d’automates programmables industriels (API) et des systèmes numériques de contrôle-commande (SNCC) doivent mettre en œuvre des stratégies strictes de limitation de l’énergie.

Les barrières de sécurité intrinsèque (SI) servent d’interface de protection essentielle entre les salles de commande sûres et les environnements de terrain dangereux. Ce guide technique analyse comment les barrières de sécurité intrinsèque protègent les équipements d’automatisation et empêchent les explosions industrielles catastrophiques.

Comprendre la classification des zones dangereuses et les risques d’inflammation

Les installations industrielles classent les zones d’exploitation selon la fréquence et la durée de présence d’atmosphères explosives. Des normes telles que la CEI 60079 et l’ATEX définissent des zones spécifiques pour les gaz (zone 0, zone 1, zone 2) et les environnements poussiéreux.

Le triangle classique du feu nécessite trois éléments pour la combustion : un combustible, de l’oxygène et une source d’inflammation. Les installations de procédés contiennent naturellement de l’oxygène ambiant et des gaz combustibles. Par conséquent, les ingénieurs en contrôle-commande doivent éliminer strictement les sources d’inflammation électriques et thermiques des instruments de terrain.

Les courts-circuits, les arcs électriques aux contacts ou les défaillances de composants dans des boucles de terrain non conditionnées en 24 V CC peuvent générer une énergie électrique suffisante pour enflammer les mélanges gazeux explosifs environnants.

Principes de fonctionnement du concept de sécurité intrinsèque

La sécurité intrinsèque (Ex i) limite l’énergie électrique totale dans les circuits situés en zone dangereuse à une valeur inférieure à l’énergie minimale d’inflammation (EMI) du groupe de gaz environnant.

Contrairement aux enveloppes antidéflagrantes qui contiennent les explosions à l’intérieur, la sécurité intrinsèque empêche entièrement l’apparition d’une inflammation.

Une boucle de sécurité intrinsèque comprend trois composants interconnectés :

• Équipements de la zone sûre : Modules d’E/S d’API ou de SNCC installés dans des armoires de commande non dangereuses.
• Appareil associé (barrière de sécurité) : Interface limitant l’énergie installée entre la zone sûre et les appareils de terrain.
• Dispositif de terrain à sécurité intrinsèque : Capteurs, transmetteurs ou solénoïdes certifiés fonctionnant dans des zones dangereuses.

Fonctionnement des circuits internes des barrières de sécurité

Les barrières de sécurité limitent la tension, le courant et la puissance totale fournis aux dispositifs de terrain, même en cas de défaillance catastrophique de l’alimentation électrique principale.

Barrières Zener passives

Une barrière Zener de base intègre trois composants passifs principaux :

• Diodes Zener : Les diodes limitent les surtensions transitoires provenant de la zone sûre à une tension Zener nominale sûre ($V_z$).
• Résistances de limitation du courant : Des résistances de précision limitent le courant de défaut de sortie ($I_{sc}$) à des niveaux de fonctionnement sûrs.
• Fusible à action rapide : Le fusible fond lorsque les diodes Zener limitent un courant excessif, ouvrant définitivement le circuit de défaut.

Les barrières Zener passives nécessitent une mise à la terre IS dédiée à très faible impédance (inférieure à $1\ \Omega$) pour dériver les courants de défaut en toute sécurité.

Isolateurs galvaniques

Les installations DCS modernes spécifient de plus en plus des isolateurs galvaniques actifs plutôt que des barrières Zener. Les isolateurs galvaniques utilisent des transformateurs internes, des optocoupleurs ou un couplage capacitif pour isoler électriquement les circuits de commande.

Ils éliminent la nécessité d’un câble de terre dédié à sécurité intrinsèque, simplifiant ainsi le câblage de terrain et empêchant les interférences dues aux boucles de terre.

Correspondance des paramètres d’entité pour la compatibilité du système

Les intégrateurs système doivent vérifier la compatibilité des paramètres d’entité avant de connecter les instruments de terrain aux barrières de sécurité. Les paramètres de sortie maximaux de la barrière ne doivent pas dépasser les caractéristiques d’entrée de sécurité du dispositif de terrain.

Scénario d’application : détection de gaz d’hydrocarbures sur une plateforme offshore

Une plateforme pétrolière offshore a intégré des détecteurs de gaz d’hydrocarbures 4-20 mA à un contrôleur central de système instrumenté de sécurité (SIS). Les détecteurs de gaz fonctionnaient dans un environnement dangereux de Zone 1 exposé à des mélanges gazeux explosifs de méthane.

Vulnérabilité du système

Un défaut croisé direct de 230 V CA dans l’armoire de contrôle pouvait contourner les alimentations internes et acheminer une tension secteur mortelle directement par le câblage de terrain des capteurs jusqu’en Zone 1.

Mise en œuvre technique

Les ingénieurs ont installé des isolateurs galvaniques montés sur rail DIN entre les voies d’entrée analogique du SIS et les transmetteurs de terrain :

1. Isolation des défauts : L’isolateur a limité l’énergie maximale en Zone 1 à 28 V CC et 93 mA, bien en dessous du seuil d’inflammation du méthane.
2. Conditionnement du signal : La barrière a assuré le passage précis du signal HART 4-20 mA sans ajouter d’erreurs de mesure de boucle.
3. Prévention des boucles de masse : L’isolation galvanique a éliminé les différences de potentiel de masse entre les modules offshore éloignés et la salle de contrôle centrale.

Informations techniques et recommandations de terrain

Le choix des barrières de sécurité nécessite de trouver un équilibre entre les exigences de protection et la complexité d’installation. Si les barrières Zener offrent un faible coût par voie, leurs exigences strictes en matière de mise à la terre et leur sensibilité aux boucles de masse augmentent la charge d’ingénierie globale.

Pour les projets DCS de grande envergure dans les usines pétrochimiques et les centrales électriques, les isolateurs galvaniques actifs constituent la solution privilégiée. Ils offrent une immunité supérieure au bruit, une mise en service simplifiée et une isolation électrique complète entre les voies de contrôle et l’instrumentation de terrain.

À propos de l’auteur

Zhao Min est une architecte principale en sécurité des procédés et en automatisation, forte de 15 ans d’expérience dans la conception de systèmes de contrôle certifiés SIL, d’infrastructures DCS et d’installations en zones dangereuses pour des sites de traitement chimique et des installations offshore. Elle est spécialisée dans la conformité à la norme IEC 60079, la vérification des boucles de sécurité intrinsèque et la conception de systèmes d’arrêt d’urgence (ESD).