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发表于 2009/9/2 13:12:57

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总线式隔离安全栅在危险防爆场所的应用

1.      前言 燃气、化工生产过程中相当大的一部分场所为具有爆炸危险性气体存在的危险场所,自动控制系统在这类场合下的应用一定要遵从符合防爆安全技术规范。在爆炸危险区内本质安全防爆(Ex-i)方式是自控设计者经常使用的方法,本安防爆在过程控制系统工程设计、施工、工程造价以及可操作性和维护性等方面相对于其他防爆形式(Ex-d、Ex-e、Ex-m等)具有明显的优越性。
2.      爆炸性危险场所的划分 在危险场所中安全地使用爆炸性环境用电气设备的前题条件是合理的选择、正确的安装和考虑系统日常生产运行时必要的维护。因此应根据其使用所在的危险场所的性质来合理的选择防爆电气设备。
危险场所就是由于存在着易燃易爆性气体、蒸气、液体、可燃性粉尘或者可燃性纤维而具有引起火灾或者爆炸危险的场所。典型的危险场所,如石油化工行业中爆炸性物质的生产、加工和贮存过程中所形成的环境。对爆炸性气体环境,按场所中危险物质存在时间的长短,将爆炸性气体环境危险区域划分为三个区,即分为0区、1区和2区。
0区:连续出现或长期出现爆炸性气体混和物的环境。
1区:在正常运行时可能出现爆炸性气体混和物的环境。
2区:在正常运行时不可能出现爆炸性气体混和物的环境或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混和物的环境。
为实现电气设备防爆,工程上采取了多种防爆技术方法,并通过防爆认证,构成防爆电气设备,用来防止爆炸危险性环境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正压、充油、充砂、无火花型等形式的防爆电气设备。对于自控系统来说,最常见的是隔爆和本安两种防爆技术方法。本安防爆技术又具有很多优点,如本质安全,结构简单,可带电检修等,在过程仪表自控系统中是第一选择。
本质安全型电气设备是从限制电路中的能量入手,通过可靠的控制电路参数设计,将潜在的电火花能量降低到可点燃规定的气体混合物能量以下,导线及元件、壳体表面的发热温度也限制在规定的气体混合物的点燃温度之下。本质安全防爆型式的设备内部,所有电路都是由在标准规定条件(包括正常工作和规定的故障条件)下,产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的本质安全电路。它又分为“ia”、“ib”两个等级, “ia”等级电气设备,是正常工作和施加一个故障和任意组合的两个故障条件下,均不能引起点燃的本质安全型电气设备;“ib”等级电气设备,是正常工作和施加一个故障条件下,不能引起点燃的本质安全型电气设备(参见GB3836.4标准)。本安防爆形式因对能量有严格的限制,因此只能应用于弱电设备中,设备其中本安设备适用于0、1、2区。本安防爆设备可以在带电情况下进行检修和校准,因此尤其适合过程自控系统应用。
3.      安全防爆场所的两种应用解决方案(1)从点对点接线到点对点接线(Point to Point)解决方案
即传统DCS/PLC/IO板卡+安全栅方案。这类本安防爆接口以隔离式和齐纳式安全栅为代表。应用特点是本安防爆现场仪表以点对点的接线方式通过电缆接至安全区控制柜内的安全栅,安全栅再以点对点的接线方式接至控制系统(DCS/PLC/IO板卡)的通用I/O卡。这是传统的本安防爆接口技术。
目前,在我国大部分企业生产过程底层的测控自动化系统中,仍采用这种点对点接线到点对点接线的方式。采用这种方式,生产现场各处的参数通过统一的模拟信号,如0-1MPa的气压信号,0-10mA、4-20mA的直流电流信号,1-5V直流电压信号等,送往集中控制室这一传统的控制系统体系结构。模拟信号变化缓慢,提高计算速度与精度的开销、难度都较大,信号传输的抗干扰能力也较差。点对点的连接,需要大量的电缆和接线端子,系统施工时要耗费大量的人力,且很难保证连接的可靠性。为数众多的连接点及故障诊断的困难,也给日后系统的检修及维护带来了很大的不便。

(2)从点对点接线到总线(Point to Bus) 解决方案
即本安防爆远程分布式I/O方案,产品核心包括总线式隔离安全栅。其中极具代表性的是智允电子的ZY系列总线式隔离安全栅。见图所示:安全栅安装在隔爆的箱体内部,直接安装在Ex.Zone 1区,通过点对点电缆连接至Ex.Zone 0区的本安仪表。

 

其应用特点是:现场仪表仍可以采用传统4~20mA本安仪表,以点对点的接线方式接至分布式I/O既总线式隔离安全栅,安全栅不仅仅具有安全栅功能,为现场回路提供本质安全防爆,而且把现场点的仪表信号转换为MODBUS通讯协议的RS485信号。
采用这种方案,
?       一根双绞线可连接多台设备,从而减少导线数量,降低配线成本。
?       由于采用数字式传输方式,可以处理高精度的信息,品质管理更加严密。
?       由于实现了多重通信,可以传送现场仪表PV值、MV值以外的信息。
?       现场仪表之间可以通信,实现了现场仪表的自律分散控制。
?       由于确保了相互运用性,不同厂家的仪表可以组合。
?       不限定厂家、机型,选择范围广,构成了最佳的系统。
?       实现了仪表测量、电机、分析仪等各种系统的综合化。
?       在仪表室可以对现场仪表进行部分调试、点检。
?       多种诊断功能,为系统的维护带来了极大的方便。
因此可以给用户带来巨大的收益:
?       大量节省用户I/O成本及工程材料成本;
?       简化用户设计、施工工作,优化系统线路结构;
?       提高系统的安全性可靠性;
从以上的特点可以看出,应用现场总线构成全新系统成为解决传统控制系统诸多缺陷的一个最佳的选择。这一结论,从目前众多的现场总线应用实例中能够得到很好的验证。全面采用现场总线技术已是大势所趋。

4.      ZY总线式隔离安全栅介绍智允电子的ZY系列智能隔离式安全栅集信号浪涌保护和隔离式安全栅、数据采集转换功能合三为一。
产品采用电磁耦合技术,实现电源、信号输入、信号输出的可靠隔离,且无需本安接地,大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力。它在产品的本安侧加上浪涌保护功能,使用更安全、更经济、更方便。同时产品在设备中集成了I/O、数据采集和隔离的RS-485总线接口,支持Modbus协议,可以为用户在主控设备和现场信号之间提供完整的数据采集和通讯解决方案,它也是一种总线式隔离安全栅。
最有特色的是ZY系列智能隔离式安全栅中的RS-485、 RS22、RS232通讯安全栅,产品内置了燃气、石化行业的主流本安型仪表的通讯协议,可以根据需要将相关仪表信号转换为MODBUS RTU & ASC II 标准通讯协议,省却了工程技术人员解析各种非标通讯协议的痛苦。
ZY系列智能隔离式安全栅浪涌保护性能
-总线通讯端高达10kV(1.2/50μs)抗浪涌能力
-额定放电电流In(8/20)μs:5kA(线对线,线对地)
-最大放电电流Imax(8/20)μs:10kA(线对地)
-响应时间: 10ns

ZY系列智能隔离式安全栅认可标准及产品认证
— 认可标准:
GB3836-1-2000《爆炸性气体环境电气设备 第1部分:通用要求》
GB3836.4-2000《爆炸性气体环境电气设备 第4部分:本质安全型“i ”》
GB18802.21-2004《低压电涌保护器 第21部分:电信和信号网络的电涌保护器(SPD)—性能要求和试验方法》
— 产品认证:
国家防爆电气产品质量监督检验中心防爆认证。

5.      以总线式隔离安全栅为核心的本安防爆分布式I/O方案的特点1.         以总线式隔离安全栅为核心的本安防爆分布式I/O方案的技术优势
本安防爆分布式I/O方案能够照顾和符合目前大部分用户的使用、维护水平和要求,工程投资节约也非常明显,因此将得到广泛应用。采用本安防爆分布式I/O方案的优势主要体现在以下方面:
与传统安全栅方案相比
l  由于减少了电缆和控制系统I/O卡的使用量,从而可节省系统的硬件成本;
l  本安分布式I/O集成本安电路比原来I/O卡+安全栅的成本低,而且结构简单紧凑,占用控制柜空间小,能使用相应的体积更小的控制柜,紧凑的结构导致成本大幅度地降低。
l  由于本安分布式I/O可以直接安装应用在危险Ex.Zone 2、1区,减少了电缆铺设和接线的工作量,从而可降低工程的施工费用。
l  集成的总线链接器代替过去密集、冗长的电缆,能够明显加快安装调试过程。
l  由于分布式I/O模块智能化程度大大提高,更方便用户的使用和维护。
l  从控制室到现场本安分布式I/O之间只有一条总线,一目了然且不容易发生故障并简化维护。
l  本安分布式I/O简单的结构意味着快速的安装,少量的接线,更少的故障点。
l  不依赖于有源的背板总线“热插技”技术使得ET200iSP的维护工作大大降低。不需要将整个系统停机或断电就可以在几秒钟内更换一个模块。相互独立的接线端子底板和电子模板结构避免了重复接线的工作。
与传统的现场总线方案相比
l  可将传统模拟量信号挂接到现场总线上,这些模拟量信号如4~20mA信号(AI/AO)、热电偶和热电阻信号、NAMUR开关和干接点信号(DI)、NAMUR或干接点频率量信号(PI)、电磁阀驱动信号及报警输出信号(DO)等,并不会很快被现场总线完全取代;
l  与现场总线方案相同也可在一根总线上传递多点位的测量和控制信息;
l  更适应员工素质的逐步提高,既可使用传统的仪表检测工具对现场仪表进行维护和检修,又可使用PC机等智能工具学习现场总线仪表的维护和检修方法,为今后使用现场总线仪表做准备。
可见,利用总线式隔离安全栅为核心的本安防爆分布式I/O方案是比较适合我国目前仪表控制系统发展水平的一种本安防爆系统解决方案,其综合了传统点对点本安防爆和本安现场总线这两种方式的优点,既有技术先进性,又照顾了传统仪表的使用方式,因此本安防爆分布式I/O方案具有非常强的技术、经济优越性,具有非常最大的应用发展空间。

2.         以总线式隔离安全栅为核心的本安防爆分布式I/O方案的适用场合
虽然具有本安防爆功能的分布式I/O技术发展很快,但是什么样的防爆场合适用分布式I/O方案仍然是人们经常关心的话题。实践表明,在以下几种防爆场合,用户应考虑采用分布式I/O方案。
l  当同时建设几个比较分散的生产装置时,用户既不愿为每个装置都建设独立的主控室,又不愿将太多的钱花在电缆和桥架上。
l  当主要装置进行建设时,常有某些辅助装置不能同步建设,或者主装置的某一部分不能同步进行,甚至不能确定这些部分何时才能建设,如果预留这部分的主控室空间或DCS容量,单次投资又太大。此时,若这些辅助装置和不确定的部分需要本安防爆,则可设计采用分布式I/O方案,待进行后期建设时加入主系统即可。
l  防爆生产装置在原有控制系统基础上改扩建,尤其工期较紧时。推荐采用防爆分布式I/O方案,这样可以减少新增点调试时对原系统控制程序的干扰和误修改,便于独立调试。
l  或是当生产装置改扩建时,用户希望避免在已经拥挤的主控室扩充新的 DCS 机柜和安全栅机柜。此时,只要原有的DCS系统具有总线通信能力,便可采用分布式I/O方案。
l  当一个装置的检测点较多,同时购置大量I/O卡和安全栅成本很高。此时,较合理的方案就是采用结合I/O卡和安全栅功能为一体的防爆分布式I/O方案。
l  当控制系统采用现场总线方案,某一个防爆生产装置的有些现场仪表没有本安现场总线型品种,或者不值得采用现场总线型仪表。这时可采用能挂接到现场总线上去的防爆分布式I/O。
用户应结合自己的现场情况和控制应用需要,合理选用分布式I/O,设计出既安全可靠,又节省投资的应用方案。

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