以總線(xiàn)式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的適用場(chǎng)合
2010-11-24 10:03:501. 前言
燃氣、化工生產(chǎn)過(guò)程中相當大的一部分場(chǎng)所為具有爆炸危險性氣體存在的危險場(chǎng)所，自動(dòng)控制系統在這類(lèi)場(chǎng)合下的應用一定要遵從符合防爆安全技術(shù)規范。在爆炸危險區內本質(zhì)安全防爆（Ex-i）方式是自控設計者經(jīng)常使用的方法，本安防爆在過(guò)程控制系統工程設計、施工、工程造價(jià)以及可操作性和維護性等方面相對于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優(yōu)越性。
2. 爆炸性危險場(chǎng)所的劃分
在危險場(chǎng)所中安全地使用爆炸性環(huán)境用電氣設備的前題條件是合理的選擇、正確的安裝和考慮系統日常生產(chǎn)運行時(shí)必要的維護。因此應根據其使用所在的危險場(chǎng)所的性質(zhì)來(lái)合理的選擇防爆電氣設備。
危險場(chǎng)所就是由于存在著(zhù)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或者爆炸危險的場(chǎng)所。典型的危險場(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(guò)程中所形成的環(huán)境。對爆炸性氣體環(huán)境，按場(chǎng)所中危險物質(zhì)存在時(shí)間的長(cháng)短，將爆炸性氣體環(huán)境危險區域劃分為三個(gè)區，即分為0區、1區和2區。
0區：連續出現或長(cháng)期出現爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
1區：在正常運行時(shí)可能出現爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
2區：在正常運行時(shí)不可能出現爆炸性氣體混和物的環(huán)境或即使出現也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
為實(shí)現電氣設備防爆，工程上采取了多種防爆技術(shù)方法，并通過(guò)防爆認證，構成防爆電氣設備，用來(lái)防止爆炸危險性環(huán)境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正壓、充油、充砂、無(wú)火花型等形式的防爆電氣設備。對于自控系統來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)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，結構簡(jiǎn)單，可帶電檢修等，在過(guò)程儀表自控系統中是第一選擇。
本質(zhì)安全型電氣設備是從限制電路中的能量入手，通過(guò)可靠的控制電路參數設計，將潛在的電火花能量降低到可點(diǎn)燃規定的氣體混合物能量以下，導線(xiàn)及元件、殼體表面的發(fā)熱溫度也限制在規定的氣體混合物的點(diǎn)燃溫度之下。本質(zhì)安全防爆型式的設備內部，所有電路都是由在標準規定條件（包括正常工作和規定的故障條件）下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應均不能點(diǎn)燃規定的爆炸性氣體環(huán)境的本質(zhì)安全電路。它又分為“ia”、“ib”兩個(gè)等級， “ia”等級電氣設備，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)安全型電氣設備；“ib”等級電氣設備，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)安全型電氣設備（參見(jiàn)GB3836.4標準）。本安防爆形式因對能量有嚴格的限制，因此只能應用于弱電設備中，設備其中本安設備適用于0、1、2區。本安防爆設備可以在帶電情況下進(jìn)行檢修和校準，因此尤其適合過(guò)程自控系統應用。
3. 安全防爆場(chǎng)所的兩種應用解決方案
（1）從點(diǎn)對點(diǎn)接線(xiàn)到點(diǎn)對點(diǎn)接線(xiàn)（Point to Point）解決方案
即傳統DCS/PLC/IO板卡+安全柵方案。這類(lèi)本安防爆接口以隔離式和齊納式安全柵為代表。應用特點(diǎn)是本安防爆現場(chǎng)儀表以點(diǎn)對點(diǎn)的接線(xiàn)方式通過(guò)電纜接至安全區控制柜內的安全柵，安全柵再以點(diǎn)對點(diǎn)的接線(xiàn)方式接至控制系統（DCS/PLC/IO板卡）的通用I/O卡。這是傳統的本安防爆接口技術(shù)。
目前，在我國大部分企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程底層的測控自動(dòng)化系統中，仍采用這種點(diǎn)對點(diǎn)接線(xiàn)到點(diǎn)對點(diǎn)接線(xiàn)的方式。采用這種方式，生產(chǎn)現場(chǎng)各處的參數通過(guò)統一的模擬信號，如0-1MPa的氣壓信號，0-10mA、4-20mA的直流電流信號，1-5V直流電壓信號等，送往集中控制室這一傳統的控制系統體系結構。模擬信號變化緩慢，提高計算速度與精度的開(kāi)銷(xiāo)、難度都較大，信號傳輸的抗干擾能力也較差。點(diǎn)對點(diǎn)的連接，需要大量的電纜和接線(xiàn)端子，系統施工時(shí)要耗費大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數眾多的連接點(diǎn)及故障診斷的困難，也給日后系統的檢修及維護帶來(lái)了很大的不便。
（2）從點(diǎn)對點(diǎn)接線(xiàn)到總線(xiàn)（Point to Bus） 解決方案
即本安防爆遠程分布式I/O方案，產(chǎn)品核心包括總線(xiàn)式隔離安全柵。其中極具代表性的是智允電子的ZY系列總線(xiàn)式隔離安全柵。見(jiàn)圖所示：安全柵安裝在隔爆的箱體內部，直接安裝在Ex.Zone 1區，通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)電纜連接至Ex.Zone 0區的本安儀表。
其應用特點(diǎn)是：現場(chǎng)儀表仍可以采用傳統4～20mA本安儀表，以點(diǎn)對點(diǎn)的接線(xiàn)方式接至分布式I/O既總線(xiàn)式隔離安全柵，安全柵不僅僅具有安全柵功能，為現場(chǎng)回路提供本質(zhì)安全防爆，而且把現場(chǎng)點(diǎn)的儀表信號轉換為MODBUS通訊協(xié)議的RS485信號。
采用這種方案，
• 一根雙絞線(xiàn)可連接多臺設備，從而減少導線(xiàn)數量，降低配線(xiàn)成本。
• 由于采用數字式傳輸方式，可以處理高精度的信息，品質(zhì)管理更加嚴密。
• 由于實(shí)現了多重通信，可以傳送現場(chǎng)儀表PV值、MV值以外的信息。
• 現場(chǎng)儀表之間可以通信，實(shí)現了現場(chǎng)儀表的自律分散控制。
• 由于確保了相互運用性，不同廠(chǎng)家的儀表可以組合。
• 不限定廠(chǎng)家、機型，選擇范圍廣，構成了最佳的系統。
• 實(shí)現了儀表測量、電機、分析儀等各種系統的綜合化。
• 在儀表室可以對現場(chǎng)儀表進(jìn)行部分調試、點(diǎn)檢。
• 多種診斷功能，為系統的維護帶來(lái)了極大的方便。
因此可以給用戶(hù)帶來(lái)巨大的收益：
• 大量節省用戶(hù)I/O成本及工程材料成本；
• 簡(jiǎn)化用戶(hù)設計、施工工作，優(yōu)化系統線(xiàn)路結構;
• 提高系統的安全性可靠性；
從以上的特點(diǎn)可以看出，應用現場(chǎng)總線(xiàn)構成全新系統成為解決傳統控制系統諸多缺陷的一個(gè)最佳的選擇。這一結論，從目前眾多的現場(chǎng)總線(xiàn)應用實(shí)例中能夠得到很好的驗證。全面采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已是大勢所趨。
4. ZY總線(xiàn)式隔離安全柵介紹
智允電子的ZY系列智能隔離式安全柵集信號浪涌保護和隔離式安全柵、數據采集轉換功能合三為一。
產(chǎn)品采用電磁耦合技術(shù)，實(shí)現電源、信號輸入、信號輸出的可靠隔離，且無(wú)需本安接地，大大增強了檢測和控制回路的抗干擾能力。它在產(chǎn)品的本安側加上浪涌保護功能，使用更安全、更經(jīng)濟、更方便。同時(shí)產(chǎn)品在設備中集成了I/O、數據采集和隔離的RS-485總線(xiàn)接口，支持Modbus協(xié)議，可以為用戶(hù)在主控設備和現場(chǎng)信號之間提供完整的數據采集和通訊解決方案，它也是一種總線(xiàn)式隔離安全柵。
最有特色的是ZY系列智能隔離式安全柵中的RS-485、 RS22、RS232通訊安全柵，產(chǎn)品內置了燃氣、石化行業(yè)的主流本安型儀表的通訊協(xié)議，可以根據需要將相關(guān)儀表信號轉換為MODBUS RTU & ASC II 標準通訊協(xié)議，省卻了工程技術(shù)人員解析各種非標通訊協(xié)議的痛苦。
ZY系列智能隔離式安全柵浪涌保護性能
－總線(xiàn)通訊端高達10kV（1.2/50μs）抗浪涌能力
－額定放電電流In（8/20）μs：5kA（線(xiàn)對線(xiàn)，線(xiàn)對地）
－最大放電電流Imax（8/20）μs：10kA（線(xiàn)對地）
－響應時(shí)間： 10ns
ZY系列智能隔離式安全柵認可標準及產(chǎn)品認證
— 認可標準：
GB3836-1-2000《爆炸性氣體環(huán)境電氣設備 第1部分：通用要求》
GB3836.4-2000《爆炸性氣體環(huán)境電氣設備 第4部分：本質(zhì)安全型“i ”》
GB18802.21-2004《低壓電涌保護器 第21部分：電信和信號網(wǎng)絡(luò )的電涌保護器（SPD）—性能要求和試驗方法》
— 產(chǎn)品認證：
國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監督檢驗中心防爆認證。
5. 以總線(xiàn)式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的特點(diǎn)
1. 以總線(xiàn)式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的技術(shù)優(yōu)勢
本安防爆分布式I/O方案能夠照顧和符合目前大部分用戶(hù)的使用、維護水平和要求，工程投資節約也非常明顯，因此將得到廣泛應用。采用本安防爆分布式I/O方案的優(yōu)勢主要體現在以下方面：
與傳統安全柵方案相比
由于減少了電纜和控制系統I/O卡的使用量，從而可節省系統的硬件成本；
本安分布式I/O集成本安電路比原來(lái)I/O卡+安全柵的成本低，而且結構簡(jiǎn)單緊湊，占用控制柜空間小，能使用相應的體積更小的控制柜，緊湊的結構導致成本大幅度地降低。
由于本安分布式I/O可以直接安裝應用在危險Ex.Zone 2、1區，減少了電纜鋪設和接線(xiàn)的工作量，從而可降低工程的施工費用。
集成的總線(xiàn)鏈接器代替過(guò)去密集、冗長(cháng)的電纜，能夠明顯加快安裝調試過(guò)程。
由于分布式I/O模塊智能化程度大大提高，更方便用戶(hù)的使用和維護。
從控制室到現場(chǎng)本安分布式I/O之間只有一條總線(xiàn)，一目了然且不容易發(fā)生故障并簡(jiǎn)化維護。
本安分布式I/O簡(jiǎn)單的結構意味著(zhù)快速的安裝，少量的接線(xiàn)，更少的故障點(diǎn)。
不依賴(lài)于有源的背板總線(xiàn)“熱插技”技術(shù)使得ET200iSP的維護工作大大降低。不需要將整個(gè)系統停機或斷電就可以在幾秒鐘內更換一個(gè)模塊。相互獨立的接線(xiàn)端子底板和電子模板結構避免了重復接線(xiàn)的工作。
與傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)方案相比
可將傳統模擬量信號掛接到現場(chǎng)總線(xiàn)上，這些模擬量信號如4～20mA信號（AI/AO）、熱電偶和熱電阻信號、NAMUR開(kāi)關(guān)和干接點(diǎn)信號（DI）、NAMUR或干接點(diǎn)頻率量信號（PI）、電磁閥驅動(dòng)信號及報警輸出信號（DO）等，并不會(huì )很快被現場(chǎng)總線(xiàn)完全取代；
與現場(chǎng)總線(xiàn)方案相同也可在一根總線(xiàn)上傳遞多點(diǎn)位的測量和控制信息；
更適應員工素質(zhì)的逐步提高，既可使用傳統的儀表檢測工具對現場(chǎng)儀表進(jìn)行維護和檢修，又可使用PC機等智能工具學(xué)習現場(chǎng)總線(xiàn)儀表的維護和檢修方法，為今后使用現場(chǎng)總線(xiàn)儀表做準備。
可見(jiàn)，利用總線(xiàn)式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案是比較適合我國目前儀表控制系統發(fā)展水平的一種本安防爆系統解決方案，其綜合了傳統點(diǎn)對點(diǎn)本安防爆和本安現場(chǎng)總線(xiàn)這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，既有技術(shù)先進(jìn)性，又照顧了傳統儀表的使用方式，因此本安防爆分布式I/O方案具有非常強的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)越性，具有非常最大的應用發(fā)展空間。
2. 以總線(xiàn)式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的適用場(chǎng)合
雖然具有本安防爆功能的分布式I/O技術(shù)發(fā)展很快，但是什么樣的防爆場(chǎng)合適用分布式I/O方案仍然是人們經(jīng)常關(guān)心的話(huà)題。實(shí)踐表明，在以下幾種防爆場(chǎng)合，用戶(hù)應考慮采用分布式I/O方案。
當同時(shí)建設幾個(gè)比較分散的生產(chǎn)裝置時(shí)，用戶(hù)既不愿為每個(gè)裝置都建設獨立的主控室，又不愿將太多的錢(qián)花在電纜和橋架上。
當主要裝置進(jìn)行建設時(shí)，常有某些輔助裝置不能同步建設，或者主裝置的某一部分不能同步進(jìn)行，甚至不能確定這些部分何時(shí)才能建設，如果預留這部分的主控室空間或DCS容量，單次投資又太大。此時(shí)，若這些輔助裝置和不確定的部分需要本安防爆，則可設計采用分布式I/O方案，待進(jìn)行后期建設時(shí)加入主系統即可。
防爆生產(chǎn)裝置在原有控制系統基礎上改擴建，尤其工期較緊時(shí)。推薦采用防爆分布式I/O方案，這樣可以減少新增點(diǎn)調試時(shí)對原系統控制程序的干擾和誤修改，便于獨立調試。
或是當生產(chǎn)裝置改擴建時(shí)，用戶(hù)希望避免在已經(jīng)擁擠的主控室擴充新的 DCS 機柜和安全柵機柜。此時(shí)，只要原有的DCS系統具有總線(xiàn)通信能力，便可采用分布式I/O方案。
當一個(gè)裝置的檢測點(diǎn)較多，同時(shí)購置大量I/O卡和安全柵成本很高。此時(shí)，較合理的方案就是采用結合I/O卡和安全柵功能為一體的防爆分布式I/O方案。
當控制系統采用現場(chǎng)總線(xiàn)方案，某一個(gè)防爆生產(chǎn)裝置的有些現場(chǎng)儀表沒(méi)有本安現場(chǎng)總線(xiàn)型品種，或者不值得采用現場(chǎng)總線(xiàn)型儀表。這時(shí)可采用能掛接到現場(chǎng)總線(xiàn)上去的防爆分布式I/O。
用戶(hù)應結合自己的現場(chǎng)情況和控制應用需要，合理選用分布式I/O，設計出既安全可靠，又節省投資的應用方案。
