Le rôle essentiel de la conception de réseaux dans les environnements dangereux

Les réseaux industriels déployés dans des environnements dangereux, comme les usines de traitement de produits chimiques, les raffineries de pétrole, les installations de gaz naturel, les silos-grains et les opérations minières souterraines, font face à un ensemble unique de contraintes de conception qui vont bien au-delà des préoccupations typiques de la mise en réseau des TI. Dans ces contextes, une seule étincelle provenant d'un dispositif réseau peut déclencher une explosion catastrophique, tandis qu'une perte de communication momentanée peut entraîner des perturbations du processus, des dommages à l'équipement ou des blessures du personnel non contrôlées.

Le défi consiste à concilier deux objectifs parfois contradictoires : s'assurer que le réseau lui-même ne puisse pas devenir une source d'inflammation dans une atmosphère volatile, tout en maintenant la grande disponibilité et la performance déterministe que les systèmes de contrôle industriel exigent.

Comprendre les classifications des milieux dangereux

Avant de choisir un équipement réseau ou de concevoir une topologie, les ingénieurs doivent d'abord comprendre la classification spécifique de la zone dangereuse en question. Les systèmes de classification définissent la probabilité et la durée d'une atmosphère explosive présente, ainsi que la nature des matières dangereuses en cause.Les deux systèmes prédominants utilisés à l'échelle mondiale sont le système de classe/division (commun en Amérique du Nord) et le système Zone (utilisé à l'échelle internationale et de plus en plus adopté aux États-Unis).

Classe/système de division

En vertu du Code national de l'électricité (NFPA 70), les endroits dangereux sont classés par classe, division et groupe :

  • Classe I: Emplacements où des gaz, vapeurs ou liquides inflammables sont présents en quantités suffisantes pour produire des mélanges explosifs ou ignifuges.
  • Classe II: Emplacements où se trouvent des poussières combustibles, comme les installations de traitement du charbon, les silos à grains et les zones de fabrication de poudres métalliques.
  • Class III: Emplacements où des fibres ou des volages facilement inflammables sont présents, mais qui ne sont pas susceptibles d'être en suspension en quantités suffisantes pour produire des mélanges ignitables.

Chaque classe est également divisée en Division 1 (lorsque l'état dangereux est présent dans des conditions normales d'exploitation) et Division 2 (lorsqu'il n'est présent que dans des conditions anormales, comme la défaillance de l'équipement ou le processus perturbé).

Système de classification des zones

La série de normes IEC 60079 définit le système Zone, qui est plus granulaire et largement utilisé en Europe, en Asie et de plus en plus dans les Amériques:

  • Zone 0 (Gas) / Zone 20 (Dust):[ Une atmosphère explosive est présente en permanence ou pendant de longues périodes (habituellement plus de 1000 heures par an). L'équipement doit être certifié pour ces zones et nécessite souvent le niveau de protection le plus élevé.
  • Zone 1 (Gas) / Zone 21 (Douille):[ Une atmosphère explosive est susceptible de se produire en fonctionnement normal (entre 10 et 1000 heures par an). La plupart des zones de procédés industriels entrent dans cette catégorie.
  • Zone 2 (Gas) / Zone 22 (Douille):[ Une atmosphère explosive ne se produira probablement pas en fonctionnement normal et, si elle se produit, persistera pendant une courte période (moins de 10 heures par année).De nombreuses zones périphériques et lieux de stockage sont la zone 2.

La compréhension de la cote de zone ou de division spécifique pour chaque zone d'une installation est la première étape essentielle de la conception du réseau, car elle dicte directement quels types d'équipement et les méthodes d'installation sont admissibles.

Principales considérations en matière de sécurité pour l'équipement du réseau

Une fois que la classification des zones dangereuses est connue, le prochain défi consiste à choisir et à déployer des équipements de réseau qui ne serviront pas de source d'inflammation. Il existe plusieurs techniques de protection établies, chacune ayant ses propres avantages, ses limites et ses propres incidences sur les coûts.

Sécurité intrinsèque (Ex i)

La sécurité intrinsèque est la technique de protection préférée pour de nombreuses applications d'instrumentation et de réseau, car elle limite l'énergie électrique et thermique à un niveau qui est incapable d'allumer une atmosphère dangereuse particulière.Cela est obtenu par l'utilisation de barrières sûres intrinsèquement (diodes plus zénères ou isolats galvaniques) qui limitent la tension, le courant et l'énergie stockée dans le câblage de terrain. La sécurité intrinsèque permet l'entretien en direct et l'ajustement des équipements sans devoir déclassifier la zone, ce qui constitue un avantage opérationnel important.

Décharges-Profils de pièces jointes (Ex d)

Pour les équipements qui stockent ou dissipent plus d'énergie que ne le permet la sécurité intrinsèque, les boîtiers antidéflagrants sont une solution commune. Ces boîtiers robustes sont conçus pour contenir toute explosion interne, empêcher les flammes ou les gaz chauds de s'échapper et d'allumer l'atmosphère environnante. Les brides de précision et les chemins de flamme soigneusement conçus refroidissent et étouffent les gaz d'échappement. Bien que les boîtiers très efficaces, antidéflagrants sont lourds, coûteux à fabriquer et à installer et nécessitent une formation spécialisée pour le personnel d'entretien afin de s'assurer que l'intégrité des chemins de flamme est maintenue lorsque les couvercles sont enlevés et remplacés.

Sécurité accrue (Ex e)

Sécurité accrue est une technique de protection qui applique des mesures supplémentaires pour empêcher que des températures, arcs ou étincelles excessives se produisent dans des conditions normales ou anormales de fonctionnement. Elle est couramment utilisée pour les boîtes de bornes, les glandes câblées et les luminaires.

Non incendiaire (Ex n) et pressurisation (Ex p)

Les équipements non incendiaires (Ex n) sont conçus de façon à ne pas pouvoir ignier une atmosphère explosive environnante dans des conditions normales de fonctionnement.Il s'agit d'un niveau de protection inférieur qui convient généralement aux emplacements de la zone 2 ou de la division 2. La pressurisation[ (Ex p) consiste à remplir l'enceinte d'un gaz protecteur (comme l'air pur ou l'azote) à une pression positive par rapport à l'atmosphère environnante, empêchant l'entrée de gaz inflammables ou de poussières.

Stratégies de fiabilité pour les réseaux industriels dans les zones dangereuses

La sécurité et la fiabilité sont étroitement liées dans des environnements dangereux. Une défaillance du réseau peut entraîner la perte de surveillance critique de la sécurité, l'incapacité d'exécuter des séquences d'arrêt d'urgence ou des conditions de processus non contrôlées.

Topologies redondantes du réseau

La topologie physique et logique du réseau a un impact direct sur sa résilience. Les topologies les plus couramment déployées pour les réseaux d'environnement dangereux sont les suivantes:

  • Ring Topology with Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP):[ Un anneau fournit un chemin redondant qui peut être activé en millisecondes si un seul lien ou interrupteur échoue. RSTP est bien compris et largement soutenu, mais les temps de récupération peuvent varier de 10 à 50 ms par houblon dans un anneau bien réglé.
  • Protocole de redondance parallèle (PRP) et haute disponibilité Redondance sans soudure (HSR):[ Ces protocoles conformes à la norme CEI 62439-3 offrent une redondance zéro perte en envoyant des cadres en double sur deux réseaux indépendants (PRP) ou une topologie à anneaux (HSR). Ils sont idéaux pour les applications de contrôle et de sécurité critiques pour la mission où même quelques millisecondes de perte de données sont inacceptables.
  • Redondance des médias:[ En plus de la redondance topologique, l'utilisation de divers milieux physiques – comme une combinaison de fibres optiques et de cuivre (lorsqu'elle est autorisée) – peut protéger contre les dommages causés par le feu, les chocs mécaniques ou la dégradation de l'environnement.

Sélection de matériel industriel

Les équipements de réseau de qualité commerciale sont rarement adaptés aux environnements dangereux. Les commutateurs de qualité industrielle, les routeurs et les convertisseurs de médias sont spécialement conçus pour résister :

  • Étendues de température :[ Typiquement -40°C à +75°C ou plus, par rapport à la plage de température de 0°C à 40°C de l'équipement commercial.
  • Hygrométrie et condensation élevées:[ Des revêtements et des enceintes scellées préviennent l'infiltration et la corrosion d'humidité.
  • Vibration et choc: Des options de montage robustes et une construction interne robuste assurent un fonctionnement fiable dans des environnements riches en machines.
  • Les fluctuations de tension et les transitoires:[ Des entrées de puissance à large gamme en courant continu et une protection intégrée contre les surtensions aident le réseau à traverser les perturbations de puissance communes dans les milieux industriels.

Lors de la sélection du matériel, les ingénieurs doivent vérifier que l'appareil détient les certifications de zone dangereuses appropriées (comme ATEX, IECEx ou UL/CSA) pour l'emplacement prévu. Un commutateur certifié pour la zone 2 n'est pas sûr d'installer dans une zone 1, peu importe la robustesse de ses autres spécifications.

Cabine et installation Pratiques exemplaires

La couche physique est souvent la partie la plus vulnérable d'un réseau industriel. Dans les environnements dangereux, les décisions de câblage ont à la fois des implications sur la sécurité et la fiabilité:

  • Câblage optique fibre :[ Parce que la fibre utilise la lumière plutôt que le courant électrique, elle est intrinsèquement non incendiaire et est le milieu préféré pour les longues durées et les zones présentant les plus grands risques. La fibre optique ne présente aucun risque d'étincelles et est à l'abri des interférences électromagnétiques (IME) des machines lourdes, des entraînements à fréquence variable et des lignes à haute tension.
  • Cables et conduits blindés: Lorsque le câblage en cuivre est utilisé (p. ex. pour les appareils Power over Ethernet), il doit être installé dans des gaines métalliques rigides ou des ensembles de câbles blindés qui assurent une protection mécanique et un confinement.
  • Glandes à câbles et raccords de fermeture:[ Chaque point d'entrée du câble dans une enceinte doit utiliser une glande à câbles certifiée qui maintient la cote de protection de l'enceinte. Dans les endroits de la division 1 ou de la zone 1, les raccords de fermeture sont requis à moins de 18 pouces de l'enceinte pour empêcher le passage de gaz ou de vapeurs dans le noyau du câble.

Surveillance environnementale et entretien prédictif

La fiabilité n'est pas une propriété statique; elle doit être gérée activement tout au long du cycle de vie du réseau. L'utilisation de capteurs environnementaux qui surveillent la température, l'humidité, la concentration de gaz et les vibrations aux points clés du réseau permet aux exploitants d'identifier les conditions de détérioration avant qu'elles ne provoquent une défaillance. L'intégration de ces capteurs avec le Système de contrôle distribué (DCS)[ ou Système de sécurité instrumenté (SIS)[ permet l'entretien prédictif.

Architecture de réseau pour les zones dangereuses: segmentation et sécurité

Outre la sécurité physique et la redondance, l'architecture logique du réseau joue un rôle vital tant dans la sécurité que dans la fiabilité opérationnelle. La segmentation du réseau utilisant des pare-feu, des routeurs et des réseaux locaux virtuels (VLAN) garantit qu'une défaillance ou une cyberattaque dans une partie de l'installation ne se propage pas aux systèmes de sécurité critiques. Le modèle Architecture de référence d'entreprise (PERA), souvent référencié dans la norme ISA-95/IEC 62264, fournit un cadre utile pour l'organisation des réseaux industriels à des niveaux hiérarchiques, du niveau 0 (appareils de terrain) au niveau 4 (TI d'entreprise).

La sécurité dans les environnements dangereux va au-delà de la cybersécurité pour inclure la sécurité physique. L'accès aux armoires de réseau dans les zones classifiées devrait être limité au personnel qualifié, et les joints ou serrures de faux-vérificateurs peuvent aider à prévenir les modifications non autorisées qui pourraient compromettre la technique de protection (p. ex., laisser une housse antidéflagrante sans scellé).

Normes et règlements régissant les réseaux de zones dangereuses

La conformité aux normes internationalement reconnues n'est pas facultative; elle est un impératif juridique et éthique. Les normes suivantes constituent l'épine dorsale de la conception de réseaux sûrs dans les endroits dangereux :

Série CEI 60079

La série IEC 60079 est la norme internationale la plus complète pour les équipements de couverture des atmosphères de gaz explosifs.

  • IEC 60079-0: Prescriptions générales pour tous les équipements Ex.
  • IEC 60079-11: Exigences de sécurité intrinsèque (Ex i).
  • IEC 60079-14: Conception, sélection et érection d'installations électriques dans des zones dangereuses.
  • IEC 60079-15: Type de protection "n" (non-incendive) pour la zone 2.
  • IEC 60079-18: Protection encapsulation "m".

NFPA 70 (Code national de l ' électricité)

Aux États-Unis, NFPA 70 (communément appelé la NEC) régit les installations électriques, y compris celles qui sont situées dans des endroits dangereux. Les articles 500 à 516 couvrent la classification, les méthodes de câblage et les exigences en matière d'équipement pour les emplacements des classes I, II et III. La NEC est mise à jour sur un cycle de trois ans, et les ingénieurs doivent se tenir à jour avec la dernière édition pour s'assurer de sa conformité.

NFPA 70E (Sécurité électrique en milieu de travail)

Bien qu'il ne s'agisse pas spécifiquement de la conception du réseau, NFPA 70E fournit des conseils essentiels pour les pratiques de travail sécuritaires que le personnel d'entretien et de mise en service doit suivre lorsqu'il travaille sur ou près d'un équipement sous tension dans des zones dangereuses, y compris la sécurité à l'arc et l'utilisation appropriée d'équipement de protection individuelle (EPI).

Série ISA-62443 (CEI 62443)

La série de normes ISA/IEC 62443 porte sur la cybersécurité des systèmes d'automatisation et de contrôle industriels. L'application de ces normes aux réseaux de zones dangereuses est essentielle parce qu'un cyberincident – comme une attaque de déni de service ou une commande de contrôle manipulée – peut avoir des conséquences sur la sécurité qui vont au-delà de la perte de données et des dommages physiques.

Systèmes de certification ATEX et IECEx

ATEX (Directives de l'UE 2014/34/UE et 1999/92/CE) et IECEx[ (Système international de certification des normes de la Commission électrotechnique relatives aux équipements destinés à être utilisés dans les atmosphères explosives) sont les deux principaux systèmes de certification des équipements utilisés dans les lieux dangereux. ATEX est obligatoire au sein de l'Union européenne, tandis que IECEx est un système reconnu au niveau international qui facilite le commerce mondial.

Technologies émergentes et tendances futures

Le domaine du réseautage dans les zones dangereuses évolue, grâce aux progrès de la technologie sans fil, de la détection optique et de la puissance sur Ethernet (PoE).

Réseaux sans fil dans les zones dangereuses

Les communications sans fil offrent des avantages importants dans les environnements dangereux, notamment la réduction des coûts de câblage, la possibilité d'accéder à des équipements à distance ou rotatifs et la facilité de mise à niveau. ISA-100.11a et WirelessHART (IEC 62591) sont deux normes sans fil industrielles conçues en vue d'assurer une sécurité et une fiabilité intrinsèques. Les points d'accès sans fil et les dispositifs de terrain doivent être certifiés pour la zone ou la division pertinente, et des enquêtes sur place rigoureuses sont nécessaires pour assurer une couverture adéquate des signaux sans interférence.

Puissance sur Ethernet (PoE) pour les lieux dangereux

La capacité de fournir des données et de l'alimentation sur un seul câble Ethernet a rendu le PoE attrayant pour les appareils tels que les détecteurs de gaz, les caméras vidéo et les points d'accès sans fil. Cependant, les niveaux de puissance en cause (jusqu'à 60W ou plus avec le PoE++) posent des défis pour la sécurité intrinsèque dans les zones 0 et 1. Des injecteurs PoE à sécurité intrinsèque et à énergie limitée sont en cours de développement pour y remédier, mais les ingénieurs doivent vérifier que l'ensemble du câble fonctionne – de l'injecteur à l'appareil alimenté – maintient la limitation d'énergie requise.

Réseautage sensible au temps (TSN)

La mise en réseau sensitive du temps (TSN)[ est un ensemble de normes IEEE 802.1 qui permettent une communication déterministe et peu latente sur l'infrastructure Ethernet standard. Pour les environnements dangereux, TSN a le potentiel d'unifier le contrôle, la sécurité et la surveillance du trafic sur un réseau unique tout en garantissant les contraintes de temps de chacun. Combiné avec PRP ou redondance HSR, les réseaux basés sur TSN peuvent fournir la grande disponibilité et la performance prévisible que les systèmes instrumentés de sécurité exigent.

Étapes pratiques pour concevoir et valider un réseau de zones dangereuses

Le processus suivant offre une approche structurée de la conception du réseau pour les environnements dangereux:

  1. Définir la classification des zones dangereuses[ pour tous les emplacements où l'équipement réseau sera installé, en utilisant le système de classe/division ou de zone, selon le cas.
  2. Identifiez les techniques de protection requises pour chaque zone ou division. Sélectionnez des solutions intrinsèquement sûres (Ex i) pour les instruments de terrain et les emplacements de la zone 0/20, et considérez les boîtiers antidéflagrants (Ex d) ou de sécurité accrue (Ex e) pour les interrupteurs et les contrôleurs dans les zones 1/21.
  3. Choisir une topologie réseau qui fournit le niveau de disponibilité requis. Pour la plupart des applications critiques pour la sécurité, il est recommandé de choisir une topologie à anneaux avec RSTP ou une topologie à double redondant utilisant PRP.
  4. Sélectionnez le matériel certifié qui correspond aux exigences de la technique de protection et de l'environnement (plage de température, choc, vibration, EMI). Vérifiez que la marque de certification (ATEX, IECEx, UL ou CSA) est valide pour la zone ou la division spécifique.
  5. Concevoir la couche physique avec câblage à fibre optique pour les liaisons de colonne vertébrale et les longs trajets, et utiliser le cuivre uniquement là où le PoE est requis et la technique de protection le permet.
  6. Segmentation du réseau d'exécution[ pour séparer le trafic critique en matière de sécurité (SIS, arrêt d'urgence) des systèmes de surveillance et d'affaires non critiques.
  7. Plan de gestion de l'entretien et du cycle de vie[. Inclure la surveillance environnementale, des calendriers d'inspection réguliers pour les joints d'enceinte et les glandes câblées, et une stratégie pour les mises à jour du firmware et les remplacements du matériel qui ne compromettent pas la technique de protection.
  8. Valider la conception[ par un processus d'examen officiel qui comprend des intervenants de la sécurité des procédés, du génie électrique, de l'instrumentation et des opérations.
  9. Effectuer des essais de mise en service[ pour vérifier que tout l'équipement est correctement installé, mis à la terre et scellé.

Conclusion

La conception de réseaux industriels pour les environnements dangereux exige une approche rigoureuse et systématique qui intègre l'ingénierie de la sécurité, l'analyse de la fiabilité et une compréhension approfondie des normes internationales.L'ingénieur du réseau travaillant dans ces environnements doit penser au-delà du débit de données et de la latence pour envisager l'énergie d'allumage, la tolérance aux défauts, la résilience environnementale et la viabilité à long terme des systèmes qui sont difficiles et coûteux à accéder.En appliquant les principes de la sécurité intrinsèque, en sélectionnant le matériel certifié et robuste, en déployant des topologies redondantes et en respectant des normes telles que IEC 60079, NFPA 70, et ISA-62443, il est possible de construire des réseaux à la fois sûrs et hautement fiables.

Pour les ingénieurs qui souhaitent obtenir des renseignements supplémentaires, les ressources suivantes fournissent des conseils autorisés : la série IEC 60079 disponible auprès de la Commission électrotechnique internationale; NFPA 70 (Code national de l'électricité)[ de l'Association nationale de protection contre les incendies; et la série ISA-62443 de la Société internationale d'automatisation. De plus, le site Web IECEx System offre une base de données consultable sur les équipements certifiés et les compétences du personnel Ex qui est inestimable pour la spécification de solutions conformes.