SICUREZZA/SAFETY LA NORMATIVA TECNICA SUI TRASMETTITORI DI PROCESSO/ THE TECHNICAL REGULATIONS FOR PROCESS METER TRANSMITTERS di Alessandro Brunelli

LA NORMATIVA TECNICA SUI TRASMETTITORI DI PROCESSO

La progettazione, la realizzazione e l’esercizio della strumentazione di misura e controllo dei processi industriali richiede profonde conoscenze di tipo sistemistico. Un ruolo fondamentale lo riviste la normativa tecnica di supporto. Questa riflette infatti il carattere intersettoriale della strumentazione ed è conseguentemente molto vasta e articolata.

Alessandro Brunelli

La misurazione di variabili fisiche come pressione, temperatura, livello, portata, densità, ecc. sta diventando sempre più importante nella automazione industriale e di processo. Il passaggio alla cosiddetta “Industria 4.0, o ambiente di produzione intelligente (smart manufacturing), che deriva dalla crescente digitalizzazione dei sistemi e dall’ introduzione dell’Internet delle Cose (IoT) negli ambienti industriali, rende questo particolarmente importante. Ciò significa che è più che mai necessario definire con precisione cosa debba fare un trasmettitore di misura di processo (PMT: Process Measurement Transmitter) come un trasmettitore di pressione, portata, livello e temperatura, quali siano le condizioni in cui deve funzionare e quali siano le procedure standardizzate migliori e univoche per provarlo.

Il Sotto Comitato Italiano CEI SC 65B, che è lo specchio dell’analogo Sotto Comitato Internazionale IEC (International Electrotechnical Commission), si occupa della standardizzazione nel campo degli aspetti specifici dei dispositivi di misura e controllo (hardware e software) utilizzati per la conduzione dei processi industriali, quali dispositivi di misurazione, apparecchiature di analisi, valvole di regolazione, attuatori e posizionatori e controllori logici programmabili (PLC: Programmable Logic Controller), e questa standardizzazione copre aspetti quali definizione delle funzionalità, intercambiabilità e valutazione delle prestazioni. In particolare nell’ambito del CEI SC 65B, il Gruppo di Lavoro WG6 che si occupa di “Testing and evaluation performance” ovvero di elaborare metodi di valutazione delle prestazioni degli elementi del sistema e delle funzioni utilizzate nella misurazione e nel controllo dei processi industriali, ha promosso a livello internazionale nell’analogo Working Group WG6 dell’IEC SC 65B una nuova serie di norme riguardante la standardizzazione dei trasmetti misuratori di processo (PMT: Process Measurement Transmitters) dal titolo: “Reference conditions and procedures for testing industrial and process measurement transmitters.” Si tratta di una norma relativa alle condizioni di riferimento ed alle procedure per la verifica delle caratteristiche dei trasmettitori industriali di processo. La struttura della norma è articolata su 5 Parti, ed è composta da una Parte 1 che è di carattere generale, ovvero comune per tutti i tipi di trasmettitori, la seconda parte è relativa ai trasmettitori di pressione, la terza ai trasmettitori di temperatura, la quarta ai trasmettitori di livello e infine la quinta riguarda i trasmettitori di portata. Grazie al grande lavoro del Team italiano di esperti del gruppo WG6 coadiuvato da esperti internazionali provenienti da vari Paesi tra cui Cina, Francia Germania, Giappone, Stati Uniti e Svizzera, sono già state emesse le prime tre Parti (Generale, Trasmettitori di Pressione e di Temperatura) come norme IEC con la numerazione rispettivamente IEC 62828-1 e IEC 62828-2 e IEC 62828-3 (pubblicata tra il 2017 e il 2018). Le ultime due Parti riguardanti i Trasmettitori di Livello e di Portata, sono invece in avanzato stadio di stesura e molto probabilmente saranno pubblicate già questo anno con la numerazione IEC 62828-4 e IEC 62828-5 e inoltre su suggerimento del Giappone è in fase di studio un New Item Proposal relativo ai Trasmettitori di Densità come ulteriore norma IEC 62828-6.

Scopo del corpo normativo è quello di standardizzare il “linguaggio comune” sia dal punto di vista del produttore che dell’utilizzatore, che è il modo migliore per evitare incomprensioni ed errori, al fine ottenere quel corretto dialogo tra le parti e raggiungere i migliori obiettivi e risultati: La nuova serie IEC 62828 è all’avanguardia e mira ad essere utile e vantaggiosa per tutti gli attori in un mercato sempre più globale ed esigente. Per aiutare i produttori e gli utilizzatori, si è quindi deciso di rivedere, completare e riorganizzare le norme IEC pertinenti e di creare una serie più adatta, efficace e completa che fornisse sistematicamente tutte le specifiche e i test necessari per i diversi trasmettitori di misura industriali e di processo. La nuova serie sui trasmettitori di misura industriali e di processo risolve questi problemi e aggiunge valore per gli stakeholder, coprendo questi aspetti: • norme di riferimento applicabili • termini e definizioni specifici • configurazioni e architetture tipiche per i vari tipi di trasmettitori di misura • definizione degli aspetti hardware e software • interfacce (al processo, all’operatore e agli altri dispositivi di misurazione e controllo) • prescrizioni fisiche, meccaniche ed elettriche e relative prove; definizione chiara delle categorie di prova: prove di tipo, prove di accettazione e prove di routine • prestazioni (specifiche, prove e verifiche) • protezione ambientale, applicazione in aree pericolose, sicurezza funzionale, ecc. • struttura della documentazione tecnica che deve essere fornita a corredo del trasmettitore

La norma IEC 62828-1 nel dettaglio

Come predetto, la IEC 62828-1 è la norma generica che è articolata nei seguenti Articoli: 1. Scopo 2. Riferimenti normativi 3. Termini, definizioni e abbreviazioni 4. Descrizione generale del trasmettitore 5. Condizioni di riferimento di prova 6. Procedure generali per prove di tipo e routine 7. Rapporto di prova e documentazione tecnica Il tutto completato da Appendici informative da A a J riguardanti in generale i seguenti argomenti: A. Descrizione generale a blocchi funzionali del trasmettitore B. Elencazione dei test alle condizioni di riferimento C.Elencazione dei test alle variazioni delle condizioni di temperatura, umidità, ecc. D.Prove generiche sui blocchi funzionali dei trasmettitori E. Valutazione dell’incertezza di misura del trasmettitore F. Valutazione della fidatezza e affidabilità G.Prove specifiche per trasmettitori digitali H.Prove FAT, SAT e SIT (in Fabbrica, di Accettazione e di Integrazione in Sito) I. Prescrizioni relative alla redazione e presentazione della documentazione tecnica J. Determinazione dell’Errore Probabile Totale (TPE)

L’Artico 3 della norma IEC 62828-1, relativo a termini, definizioni e abbreviazioni, è utilizzato per definire le proprietà del PMT, con raccomandazioni su cosa deve contenere una scheda tecnica. Ciò ha lo scopo di aiutare a parlare un “linguaggio comune” e di facilitare la comprensione delle specifiche dei prodotti da parte degli utilizzatori. Inoltre, sempre all’articolo 3 vengono riportati i termini relativi alle classiche definizioni concernenti la precisione di misura (accuracy) e ai nuovi concetti riguardanti l’incertezza di misura (measurement uncertainty), sempre più richiesti nei Sistemi di Gestione Qualità ISO 9001 (SGQ) e nei sistemi di Gestione Ambientali ISO 14001 (SGA) per garantire la riferibilità continua delle misure mediante il Sistema di Gestione della Misurazione ISO 10012 (SGM) che disciplina una periodica e corretta conferma metrologica della strumentazione di misura in esercizio. A tal proposito l’Appendice E fornisce una semplice metodologia operativa per passare dai concetti di precisione ed errore di misura, ai concetti di incertezza di misura in accordo alla Guida Internazionale ISO_GUM (Guide to expression the Uncertainty Measurement). Un’altra caratteristica interessante è definita nell’Articolo 7, che introduce il concetto di errore probabile totale TPE (Total Probable Error),

fornendo un orientamento su come valutare l’accuratezza complessiva di un PMT, cosicché in questo modo sarà più facile, soprattutto per gli utenti finali, confrontare i PMT di produttori diversi in modo che possano fare la scelta giusta in base alle loro esigenze misuristiche. Le norme specifiche successive IEC 62828-2 e IEC 62828-3 per i Trasmettitori di Pressione e Temperatura, pur ripercorrendo i 7 Articoli della norma generica IEC 62828-1, sono più snelle in quanto si riferiscono sempre agli omologhi Articoli della Parte 1, e presentando talvolta delle variazioni e/o semplificazioni di prova per esempio al punto 6.2.2 relativo alle prove di routine, la Parte 2 sui Trasmettitori di Pressione prevede un ciclo completo di misura in salita e discesa, mentre la Parte 3 sui trasmettitori di Temperatura prevede un semi-ciclo di misura in salita o in discesa data la mancanza di fenomeni di isteresi in questi ultimi.

Classificazione delle proprietà dei trasmettitori

Infine, c’è da sottolineare che nella Parte 4 e 5 allo studio (rispettivamente per Livelli e Portate), è stata introdotta la cosiddetta Classificazione delle proprietà dei trasmettitori (List Of Property: LOP) in accordo alla nuova serie di norme IEC 61987 emesse recentemente dall’IEC SC 65E, inerente: Elementi e struttura dei dati nella documentazione tecnica delle apparecchiature di processo con uscita analogica e digitale.

Tale serie IEC 61987 sta codificando le proprietà dei trasmettitori (per esempio: costruttore, modello, input, output, precisione, ecc.) mediante un codice alfanumerico costituto da 3 lettere maiuscole seguite da tre numeri) in accordo all’IEC_CDD (Component Data Dictionary) secondo le IEC 63160 e le ISO 13584, che sarà utile in special modo agli integratori e utilizzatori, dapprima nella scelta e selezione durante la progettazione, e successivamente nella gestione dei dati e delle informazioni durante l’esercizio delle apparecchiature di misura e controllo degli impianti industriali. Ovviamente nella futura revisione delle Parti 2 e 3 relative ai Trasmettitori di Pressione e Temperatura verranno riportate le specifiche Classificazioni delle Proprietà LOP e della relativa Codificazione CDD come in essere nelle Parti 4 e 5 relative ai trasmettitori di Livello e di Portata. Con la pubblicazione della Parte 4 e 5 verranno ritirate e abrogate le attuali norme generiche IEC 60770-1/2/3 relative ai trasmettitori di misura industriali analogici e digitalii. Come si è notato lo sviluppo della nuova serie di norme IEC 62828, è la base per la standardizzazione generale e specifica dei vari trasmettitori maggiormente impiegati negli impianti industriali, che devono sempre più dialogare nei Fieldbus, e negli ambiti IoT (Internet of Think), e capaci di trasferire agli ambienti Cloud dati e informazioni omogenei e comparabili per essere esaminati e processati dai cosiddetti Big Data allo scopo di migliorare la gestione e rendimento degli impianti industriali.

Fig.2 Membri IEC presenti all’ultima riunione internazionale del WG6 del IEC SC 65B

Alessandro Brunelli Esperto in Automazione, Strumentazione, Taratura e Sicurezza degli Impianti Industriali. Segretario CEI SC 65 B: Misura e Controllo dei Processi Industriali alebrunelli767@gmail.com

THE TECHNICAL REGULATIONS FOR PROCESS METER TRANSMITTERS (PMTS)

The design, manufacture and operation of industrial process measurement and control instrumentation requires in-depth system knowledge. A fundamental role is played by the supporting technical regulations. This reflects the cross-sector character of the instrumentation and is consequently very wide and articulated. Alessandro Brunelli

The measurement of physical variables such as pressure, temperature, level, flow, density, etc. is becoming increasingly important in industrial and process automation. The transition to so-called “Industry 4.0”, or smart manufacturing environment, resulting from the increasing digitization of systems and the introduction of the Internet of Things (IoT) in industrial environments, makes this particularly important. This means that it is more necessary than ever to define precisely what a Process Measurement Transmitter (PMT) such as a pressure, flow, level and temperature transmitter should do, what conditions it should operate under and what the best and unambiguous standardised procedures to test it under are.

CEI SC 65B The Italian CEI SC 65B Sub-Committee, which is the mirror of the analogous IEC (International Electrotechnical Commission) Sub-Committee, deals with standardization in the field of specific aspects of measurement and control devices (hardware and software) used to conduct industrial processes, such as measuring devices, analysis equipment, control valves, actuators and positioners and programmable logic controllers (PLC: Programmable Logic Controller), and this standardization covers aspects such as definition of functionality, interchangeability and performance evaluation. In particular, within CEI SC 65B, the Working Group WG6, which deals with “Testing and evaluation performance”, i.e. the development of methods for evaluating the performance of system elements and functions used in the measurement and control of industrial processes, has promoted at international level in the analogous Working Group WG6 of IEC SC 65B a new set of standards concerning the standardization of process measurement transmitters (PMT: Process Measurement Transmitters) entitled: “Reference conditions and procedures for testing industrial and process measurement transmitters.” This is a standard concerning the reference conditions and procedures for the verification of the characteristics of industrial process transmitters. The structure of the standard is divided into 5 parts, and is composed of a Part 1 which is general, that is common for all types of transmitters, the second part is related to pressure transmitters, the third to temperature transmitters, the fourth to level transmitters and finally the fifth concerns flow transmitters. Thanks to the great work of the Italian Team of WG6 experts assisted by international experts from various countries including China, France, Germany, Japan, the United States and Switzerland, the first three parts (General, Pressure and Temperature Transmitters) have already been issued as IEC standards with the numbering IEC 62828-1 and IEC 62828-2 and IEC 62828-3 respectively (published between 2017 and 2018). The last two Parts concerning Level and Flow Rate Transmitters are at an advanced stage of development and will most likely be published this year with IEC 62828-4 and IEC 62828-5 numbering, and a New Item Proposal for Density Transmitters as a further IEC 62828-6 standard is being studied at the suggestion of Japan.

The purpose of the standards The aim of the body of legislation is to standardize the “common language” both from the manufacturer’s and user’s point of view, which is the best way to avoid misunderstandings and

mistakes, in order to obtain the correct dialogue between the parties and achieve the best objectives and results: The new IEC 62828 series is at the forefront and aims to be useful and advantageous for all players in an increasingly global and demanding market. To help manufacturers and users, it was therefore decided to revise, complete and reorganise the relevant IEC standards and to create a more suitable, effective and complete series that would systematically provide all the necessary specifications and tests for the various industrial and process measurement transmitters. The new series on industrial and process measurement transmitters solves these problems and adds value for stakeholders by covering these aspects: • applicable reference standards • specific terms and definitions • typical configurations and architectures for the various types of measuring transmitters • definition of hardware and software aspects • interfaces (to process, operator and other measuring and control devices) • physical, mechanical and electrical requirements and associated tests; clear definition of test categories: type tests, acceptance tests and routine tests • performance (specifications, testing and verification) • environmental protection, application in hazardous areas, functional safety, etc. • structure of the technical documentation to be supplied with the transmitter

IEC 62828-1 in detail As mentioned above, IEC 62828-1 is the generic standard that is articulated in the following Articles: 1. Purpose 2. Regulatory references 3. Terms, definitions and abbreviations 4. Transmitter Overview 5. Reference test conditions 6. General procedures for type and routine testing 7. Test report and technical documentation All this is completed by Information Appendices A to J on the following topics in general: A.General function block description of the transmitter B. Listing of tests under reference conditions C.Listing of tests to changes in temperature, humidity, etc. conditions. D.Generic tests on transmitter function blocks E. Evaluation of the measurement uncertainty of the transmitter F. Assessment of trustworthiness and reliability G.Specific tests for digital transmitters H.FAT, SAT and SIT Tests (Factory, Acceptance and Site Integration) I. Requirements concerning the drafting and presentation of technical documentation J. Determination of Total Probable Error (TPE)

Arctic 3 of IEC 62828-1, concerning terms, definitions and abbreviations, is used to define the properties of PMT, with recommendations on what a data sheet should contain. This is intended to help to speak a “common language” and to facilitate users’ understanding of product specifications. In addition, article 3 also contains the terms relating to the classic definitions of measurement accuracy and new concepts of measurement uncertainty, increasingly required in ISO 9001 Quality Management Systems (QMS) and ISO 14001 Environmental Management Systems (EMS) to ensure continuous traceability of measurements through the ISO 10012 Measurement Management System (MMS) which regulates a periodic and correct metrological confirmation of the measurement equipment in operation. In this regard, Appendix E provides a simple operational methodology to move from the concepts of accuracy and measurement error to the concepts of measurement uncertainty according to the International Guide ISO_GUM (Guide to expression the Uncertainty Measurement). Another interesting feature is defined in Article 7, which introduces the concept of Total Probable Error (TPE), providing guidance on how to assess the overall accuracy of a PMT, so that it will be easier, especially for end users, to compare PMTs from different manufacturers so that they can make the right choice according

to their measurement needs. The subsequent specific standards IEC 62828- 2 and IEC 62828-3 for Pressure and Temperature Transmitters, while following the 7 Articles of the generic standard IEC 62828-1, are more streamlined as they always refer to the corresponding Articles in Part 1, and sometimes presenting variations and/or test simplifications for example in point 6. 2.2 concerning routine tests, Part 2 on Pressure Transmitters foresees a complete up and down measurement cycle, while Part 3 on Temperature Transmitters foresees a semi-cycle of up or down measurement due to the lack of hysteresis phenomena in the latter.

Classification of Transmitter Properties Finally, it should be noted that in Part 4 and 5 under study (respectively for Levels and Flow rates), the so-called Classification of Transmitter Properties (List Of Property: LOP) has been introduced according to the new series of IEC 61987 standards recently issued by IEC SC 65E: Elements and data structure in the technical documentation of process equipment with analogue and digital output. This IEC 61987 series is encoding the properties of transmitters (e.g.: manufacturer, model, input, output, accuracy, etc.) by means of an alphanumeric code consisting of 3 capital letters followed by three numbers) according to IEC_ CDD (Component Data Dictionary) according to IEC 63160 and ISO 13584, which will be especially useful for integrators and users, first in the selection and selection during the design, and then in the management of data and information during the operation of measurement and control equipment of industrial plants. Obviously in the future revision of Parts 2 and 3 related to Pressure and Temperature Transmitters the specific LOP Properties Classifications and the related CDD Coding will be reported as in Parts 4 and 5 related to Level and Flow Transmitters. With the publication of Part 4 and 5 the current generic IEC 60770-1/2/3 standards for analogue and digital industrial measuring transmitters will be withdrawn and repealed. As noted by the development of the new IEC 62828 series of standards, it is the basis for the general and specific standardization of the various transmitters most used in industrial plants, which must increasingly dialogue in Fieldbus, and in IoT (Internet of Think) environments, and capable of transferring homogeneous and comparable data and information to Cloud environments to be examined and processed by the so-called Big Data in order to improve the management and performance of industrial plants.

Fig.2 IEC members present at the last international meeting of WG6 of IEC SC 65B

The Author Alessandro Brunelli Expert in Automation, Instrumentation, Calibration and Safety of Industrial Plants. Secretary CEI SC 65 B: Measurement and Control of Industrial Processes alebrunelli767@gmail.com

Keywords: Safety, PMT, CEI SC 65B, IEC 62828, IEC 61987, IEC 63160, ISO 13584, IEC 60770

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