|
1. 前言
化工生產(chǎn)過程中相當(dāng)大的一部分場(chǎng)所為具有爆炸危險(xiǎn)性氣體存在的危險(xiǎn)場(chǎng)所，自動(dòng)控制系統(tǒng)在這類場(chǎng)合下的應(yīng)用一定要遵從符合防爆安全技術(shù)規(guī)范。在爆炸危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)本質(zhì)安全防爆（Ex-i）方式是自控設(shè)計(jì)者經(jīng)常使用的方法，本安防爆在過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工、工程造價(jià)以及可操作性和維護(hù)性等方面相對(duì)于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優(yōu)越性。
西門子的全集成一體化控制系統(tǒng)在危險(xiǎn)區(qū)的本安防爆應(yīng)用方式上具有很大的靈活性。具有大量安全防爆產(chǎn)品可供用戶設(shè)計(jì)成為滿足不同要求的本安防爆系統(tǒng)，極大的方便了用戶的選擇和應(yīng)用，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況和資金情況涉及建立最符合自己要求的防爆控制系統(tǒng)。
本文就西門子防爆系統(tǒng)的幾種應(yīng)用方式進(jìn)行了探討和總結(jié)，以求對(duì)防爆用戶的設(shè)計(jì)應(yīng)用有所幫助啟發(fā)。
2. 爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的劃分
在危險(xiǎn)場(chǎng)所中安全地使用爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備的前題條件是合理的選擇、正確的安裝和考慮系統(tǒng)日常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)必要的維護(hù)。因此應(yīng)根據(jù)其使用所在的危險(xiǎn)場(chǎng)所的性質(zhì)來合理的選擇防爆電氣設(shè)備。
危險(xiǎn)場(chǎng)所就是由于存在著易燃易爆性氣體、蒸氣、液體、可燃性粉塵或者可燃性纖維而具有引起火災(zāi)或者爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。典型的危險(xiǎn)場(chǎng)所，如石油化工行業(yè)中爆炸性物質(zhì)的生產(chǎn)、加工和貯存過程中所形成的環(huán)境。對(duì)爆炸性氣體環(huán)境，按場(chǎng)所中危險(xiǎn)物質(zhì)存在時(shí)間的長(zhǎng)短，將爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分為三個(gè)區(qū)，即分為Ex.Zone0區(qū)、Ex.Zone1區(qū)和Ex.Zone2區(qū)。
Ex.Zone0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)期出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
Ex.Zone1區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
Ex.Zone2區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
在工程實(shí)踐中，Ex.Zone0區(qū)一般只存在于密閉的容器、貯罐等內(nèi)部氣體空間，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中Ex.Zone1區(qū)也很少存在，大多數(shù)情況屬于Ex.Zone2區(qū)。
為實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備防爆，工程上采取了多種防爆技術(shù)方法，并通過防爆認(rèn)證，構(gòu)成防爆電氣設(shè)備，用來防止爆炸危險(xiǎn)性環(huán)境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正壓、充油、充砂、無火花型等形式的防爆電氣設(shè)備。對(duì)于自控系統(tǒng)來說，最常見的是隔爆和本安兩種防爆技術(shù)方法。本安防爆技術(shù)又具有很多優(yōu)點(diǎn)，如本質(zhì)安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可帶電檢修等，在過程儀表自控系統(tǒng)中是第一選擇。
本質(zhì)安全型電氣設(shè)備是從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)，將潛在的電火花能量降低到可點(diǎn)燃規(guī)定的氣體混合物能量以下，導(dǎo)線及元件、殼體表面的發(fā)熱溫度也限制在規(guī)定的氣體混合物的點(diǎn)燃溫度之下。本質(zhì)安全防爆型式的設(shè)備內(nèi)部，所有電路都是由在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件(包括正常工作和規(guī)定的故障條件)下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的本質(zhì)安全電路。它又分為“ia”、“ib”兩個(gè)等級(jí)， “ia”等級(jí)電氣設(shè)備，是正常工作和施加一個(gè)故障和任意組合的兩個(gè)故障條件下，均不能引起點(diǎn)燃的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備；“ib”等級(jí)電氣設(shè)備，是正常工作和施加一個(gè)故障條件下，不能引起點(diǎn)燃的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備(參見GB38364標(biāo)準(zhǔn))。本安防爆形式因?qū)δ芰坑袊?yán)格的限制，因此只能應(yīng)用于弱電設(shè)備中，設(shè)備其中Ex-ia設(shè)備適用于Ex.Zone 0、1、2區(qū)或Ex-ib設(shè)備適用于Ex.Zone 1、2區(qū)。本安防爆設(shè)備可以在帶電情況下進(jìn)行檢修和校準(zhǔn)，因此尤其適合過程自控系統(tǒng)應(yīng)用。
本安防爆技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)使得其在過程自動(dòng)控制領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，本文將以自控系統(tǒng)的本安應(yīng)用作為重點(diǎn)進(jìn)行討論。
3. 西門子SIMATIC系統(tǒng)在安全防爆場(chǎng)所的幾種應(yīng)用解決方案
由于近年西門子全集成自動(dòng)化（TIA）理念在西門子系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用，西門子SIMATIC系統(tǒng)尤其PCS 7系統(tǒng)中增添了許多可供用戶選擇的豐富的安全防爆系統(tǒng)解決方案，大大加強(qiáng)了其在安全防爆領(lǐng)域的應(yīng)用能力。而且由于本質(zhì)安全型現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-PA的推廣應(yīng)用，日臻成熟，為解決傳統(tǒng)的安全防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更靈活、可靠的解決方案。本文主要介紹以西門子SIMATIC系統(tǒng)為核心構(gòu)架完成一個(gè)安全防爆系統(tǒng)的幾種典型解決方案。
(1)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線(Point to Point)解決方案
即傳統(tǒng)DCS/PLC+安全柵方案，見圖1所示。這類本安防爆接口以隔離式和齊納式安全柵為代表。應(yīng)用特點(diǎn)是本安防爆現(xiàn)場(chǎng)儀表以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接線方式通過電纜接至安全區(qū)控制柜內(nèi)的安全柵，安全柵再以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接線方式接至控制系統(tǒng)(DCS／PLC)的通用I/O卡。這是傳統(tǒng)的本安防爆接口技術(shù)。
(2)本安防爆I/O卡板解決方案
本安防爆I/O卡板解決方案是在DCS／PLC的通用I/O卡板基礎(chǔ)上增加本安電路，使之成為本安防爆卡板，可直接與現(xiàn)場(chǎng)兩線制本安儀表相連接，省卻安全柵環(huán)節(jié)，構(gòu)成本安防爆控制系統(tǒng)，見圖2所示。其本質(zhì)與DCS/PLC+安全柵方案相同，但是減少了安全柵環(huán)節(jié)，節(jié)省了線路連接點(diǎn)，因此能夠降低系統(tǒng)的故障點(diǎn)。而且這類本安模塊如SIMATIC S7-300系列的本安防爆式Ex I/O卡板SM322，SM321，SM331，SM332等，其防爆等級(jí)為Ex-ibIIC，可以掛接Ex.Zone1區(qū)內(nèi)的本安儀表。由于本安防爆卡板使用了集成安全柵技術(shù)，減少了隔離式和齊納式安全柵的使用，因此結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約了空間和費(fèi)用。
（3）從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案
即FISCO現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全防爆構(gòu)想模型簡(jiǎn)稱FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線以本質(zhì)安全方式安裝使用在Ex-區(qū)成為可能，以經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方式解決了現(xiàn)場(chǎng)總線的防爆應(yīng)用問題。FISCO適用于Ex-iaIIC級(jí)別的本安防爆方式。PROFIBUS-PA總線既能實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊（31.25kbps），又可實(shí)現(xiàn)對(duì)所掛接現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的本安供電。西門子PROFIBUS-PA總線防爆系統(tǒng)一般由DP/PA耦合器/鏈接器，本安配電鏈接模塊，T型總線接頭、PA總線電纜和本安現(xiàn)場(chǎng)總線儀表構(gòu)成。Bus to Bus方式的應(yīng)用特點(diǎn)是智能現(xiàn)場(chǎng)總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上，經(jīng)過上述產(chǎn)品，仍以現(xiàn)場(chǎng)總線方式接至控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)鏈路用一條雙絞電纜即可構(gòu)成。
其特點(diǎn)是：直接用于危險(xiǎn)區(qū)域中的現(xiàn)場(chǎng)總線不僅節(jié)省了大量的布線成本，而且也節(jié)約了許多傳統(tǒng)方案中必須的I/O 信號(hào)的隔離柵、配電盤和分流器和大量信號(hào)電纜，同時(shí)節(jié)約了大量控制箱柜空間。此外，還可以省去防爆現(xiàn)場(chǎng)元件的機(jī)械保護(hù)裝置如雙層絕緣、附加金屬保護(hù)網(wǎng)等，以及在使用非本質(zhì)安全導(dǎo)線時(shí)所需要的防爆鋼管。
FISCO本質(zhì)安全現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS-PA）是最新的本安防爆接口技術(shù)。
(4)從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線到總線(Point to Bus) 解決方案
即本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案，產(chǎn)品包括總線式隔離安全柵和本安型的分布式I/O模塊。其中極具代表性的是西門子ET200iSP系列本質(zhì)安全分布式I/O。見圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應(yīng)用在Ex.Zone 1區(qū)，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電纜連接至Ex.Zone 0區(qū)的本安儀表。
與從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案相比，其應(yīng)用特點(diǎn)是：現(xiàn)場(chǎng)儀表仍可以采用傳統(tǒng)4～20mA本安儀表，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接線方式接至分布式I/O，而分布式I/O向上則以經(jīng)本安鏈接器485/iS隔離后的PROFIBUS-DP/iS（1.5Mbps）總線方式接至控制系統(tǒng)通信總線或現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡。ET200iSP不僅具有安全柵功能，為現(xiàn)場(chǎng)回路提供本質(zhì)安全防爆，而且ET200iSP本身還具有很高的防爆安全等級(jí)，其I/O模塊、電源模塊和網(wǎng)關(guān)本身也采用本安防爆（ATEX II 2 G EEx ib IIC T4）。 因而ET200iSP可以直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，可對(duì)其所有電子模塊（包括電源模塊和總線連接模塊）進(jìn)行帶電熱插拔維護(hù)、操作。顯然，這種本安防爆解決方案中，現(xiàn)場(chǎng)儀表仍可使用傳統(tǒng)的4—20mA儀表。本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案是能兼顧FISCO現(xiàn)場(chǎng)總線方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式兩類應(yīng)用方案優(yōu)點(diǎn)的一種中間方案，也是本文將詳細(xì)討論的方案。
除ET200iSP外，值得一提的是SIMATIC還有防爆ET200M分布式I/O方案可供用戶選擇。ET200M如果選用相應(yīng)的防爆結(jié)構(gòu)和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后，其本身就構(gòu)成無火花型防爆形式，可以直接安裝在危險(xiǎn)區(qū)。但ET200M本身的防爆級(jí)別要比ET200iSP低，只能安裝在增安型(Ex e)保護(hù)箱中，用于Ex.Zone 2區(qū)。ET200M的數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS-DP，最高速率可達(dá)12 Mbps，相比ET200iSP的1.5Mbps通訊速率要高。
4. 西門子控制系統(tǒng)防爆器件介紹
（1）ET200iSP
SIMATIC ET-200iSP是用于Ex危險(xiǎn)區(qū)的分布式I/O系統(tǒng)。使用符合歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)防爆等級(jí)Ex[ia/ib] IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外設(shè)，可以安裝于危險(xiǎn)區(qū)域Ex.Zone 1中，連接來自Ex.Zone 0區(qū)的本安信號(hào)。ET-200iSP通過本質(zhì)安全的PROFIBUS-DP/iS總線實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通訊，傳輸速率1.5Mbps。
一個(gè)SIMATIC ET-200iSP 站點(diǎn)由一個(gè)密封電源、一個(gè)用于連接PROFIBUS-DP 的接口模塊(可擴(kuò)展32 塊電子模塊)，和一個(gè)總線終端電阻模塊組成。而且，其電源和接口模塊均可進(jìn)行冗余配置。
ET-200iSP的防爆電源是一個(gè)隔爆Ex-d的供電模塊，由安全總線底板向各電子模塊供電。電源模塊本身的供電通過Ex-e端子實(shí)現(xiàn)，在危險(xiǎn)區(qū)不允許拆開此連接。而且送電電源必須安裝在安全區(qū)。
每臺(tái)ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模塊最多可連接64個(gè)模擬信號(hào)或128個(gè)數(shù)字信號(hào)。
ET-200iSP的模塊化結(jié)構(gòu)為用戶提供了最大限度的靈活性，可以連接NAMUR 數(shù)字量輸入、電磁閥、模擬量輸入/ 輸出、HART 輸入/ 輸出、熱電耦以及熱電阻等。所有電子模塊均具有本安結(jié)構(gòu)，而且在危險(xiǎn)1區(qū)可對(duì)所有的電子模塊(包括供電及總線連接模塊)帶電進(jìn)行更換，即“熱插拔”。
HART 協(xié)議模板可實(shí)現(xiàn)與HART儀表的無縫集成。
采用彈簧壓緊或螺釘快速連接現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備。
（2） ET200M
在SIMATIC ET 200 產(chǎn)品系列中， ET 200M 是主要的分布式I/O系統(tǒng)，與SIMATIC PCS7一起用于過程應(yīng)用，支持在線修改( 使用有源總線模塊設(shè)計(jì))，它可使用豐富的S7-300 I/O 模塊包括S7-300標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模塊，冗余信號(hào)模塊，防爆輸入/ 輸出模塊以及符合HART協(xié)議的防爆模擬量輸入和輸出模塊。每個(gè)ET200M接口模塊最多可以連接8 個(gè)I/O 模塊。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線上的從站，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12 Mbit/s。
ET200M模塊本身采用無火花型防爆，即ATEX II 3 G EEx n II A T4，配合增安型防護(hù)箱，可安裝在Ex.Zone 2區(qū)，這已可滿足大部分現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜安裝地點(diǎn)的防爆要求，其連接的本安傳感器/執(zhí)行器可以用于Ex.Zone 1區(qū)。
ET 200M可選用有源總線模板進(jìn)行配置。在非防爆環(huán)境中，允許帶電熱插拔操作，但在危險(xiǎn)區(qū)使用時(shí)不能進(jìn)行熱插拔維護(hù)。
（3） 本安防爆I/O卡板
表1：SIMATIC S7-300系列的隔離式Ex I/O卡板
|
類型 |
規(guī)格 |
防爆級(jí)別 |
|
Ex SM321 |
數(shù)字量輸入 4×24VDC ﹤2kHz |
Ex-ibIIC |
|
Ex SM322 |
數(shù)字量輸出 4×24VDC或15VDC ﹤100Hz |
Ex-ibIIC |
|
Ex SM331 |
模擬量輸入 4/8×mA、mV、TC、RTD、電阻 |
Ex-ibIIC |
|
Ex SM332 |
模擬量輸出 4×mA |
Ex-ibIIC |
（4） RS485/IS耦合器
由于ET200iSP直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，進(jìn)行本安操作需要本安PROFIBUS-DP總線。RS485-IS耦合器是一個(gè)“現(xiàn)場(chǎng)總線隔離器”，非本安的PROFIBUS-DP總線通過RS485-IS耦合器后成為本安的PROFIBUS-DP/iS總線。RS485/IS耦合器對(duì)總線進(jìn)行隔離并限制其能量，使之處于安全范圍之內(nèi)，起到了總線中繼和防爆隔離的作用。在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，本安的PROFIBUS-DP/iS可以帶電進(jìn)行插接操作。
需要注意RS485-IS耦合器本身必須安裝在安全區(qū)內(nèi)。
（5） DP/PA耦合器/鏈接器
DP/PA耦合器/鏈接器實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP到本安現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-PA的轉(zhuǎn)換和連接。PA本安現(xiàn)場(chǎng)總線還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本安現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的饋電。
DP/PA耦合器（Coupler）的主要作用：
實(shí)現(xiàn)物理層的轉(zhuǎn)換，并通過總線向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電
實(shí)現(xiàn)安全柵隔離功能，使危險(xiǎn)區(qū)與安全區(qū)電氣隔離。
DP/PA鏈接器（Link）的主要作用：
完成過程儀表與主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊工作，它肩負(fù)著主設(shè)備和從設(shè)備的雙重身份。作為主設(shè)備，它控制著內(nèi)部總線的正常工作；作為從設(shè)備，它又擔(dān)負(fù)著與上一層總線的通訊任務(wù)。
DP/PA 鏈接器是一種非常簡(jiǎn)單的網(wǎng)關(guān)，它可互連PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA，但去耦傳輸速率。這就意味著PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA可以組合使用，而不會(huì)影響PROFIBUS -DP的性能。
（6） 本安操作員面板
如果防爆現(xiàn)場(chǎng)需要更多的信息顯示和操作，在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)選擇防爆操作界面是非常必要的。安全防爆操作屏由于功率較大，大多采用隔爆形式實(shí)現(xiàn)防爆。
5. 西門子本安防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用
前文所述4種本安防爆控制系統(tǒng)解決方案有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，在實(shí)踐中均有很多應(yīng)用實(shí)例。而且SIMATIC系統(tǒng)還提供了很大的靈活性，用戶可以很方便的利用一種解決方案組成自己的本安防爆控制系統(tǒng)。因?yàn)槲鏖T子的集成一體化思想在SIMATIC產(chǎn)品上的充分體現(xiàn)，我們可以通過一條PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將幾種防爆解決方案統(tǒng)一在一個(gè)防爆控制系統(tǒng)中，如圖5所示，甚至將防爆應(yīng)用和非防爆應(yīng)用統(tǒng)一在一個(gè)控制系統(tǒng)中。這常見于西門子PCS7系統(tǒng)中多區(qū)域、多場(chǎng)所、多站點(diǎn)的應(yīng)用。
因此用戶可以根據(jù)自己生產(chǎn)的特點(diǎn)，充分的利用不同防爆解決方案的特點(diǎn)，靈活組合幾種防爆解決方案組成自己的本安防爆控制系統(tǒng)。
6. 本安防爆分布式I/O方案應(yīng)用實(shí)例
詳見文后附錄：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無菌制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用
|
