陳洪光-安全柵在成型控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

1、P+F安全柵在成型車間控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用內(nèi)容摘要：本文首先介紹了安全柵的在本安控制系統(tǒng)中的作用及其形式、結(jié)構(gòu)、分類，并對(duì)橡膠廠成型車間DCS控制系統(tǒng)改造中所用到的隔離式安全柵的種類、形式、作用和應(yīng)用分別進(jìn)行了闡述，并且簡(jiǎn)單敘述了安全柵選用、安裝、調(diào)試時(shí)的一些注意事項(xiàng)。關(guān)鍵字：安全柵 本質(zhì)安全系統(tǒng) 關(guān)聯(lián)設(shè)備 應(yīng)用1. 前言安全柵是一種安裝在安全場(chǎng)所的本質(zhì)安全型防爆儀表的關(guān)聯(lián)設(shè)備，（術(shù)語：關(guān)聯(lián)設(shè)備一種安裝在安全場(chǎng)所、本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間的相連的電氣設(shè)備），當(dāng)本安防爆系統(tǒng)的本安儀表發(fā)生故障時(shí)，用安全柵把危險(xiǎn)場(chǎng)所和非危險(xiǎn)場(chǎng)所的電路分隔開，限制由非危險(xiǎn)場(chǎng)所傳遞到危險(xiǎn)場(chǎng)所的能量，從而確?，F(xiàn)場(chǎng)

2、設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。2. 安全柵知識(shí)介紹2.1 本安型安全柵本安型安全柵應(yīng)用在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它是安裝于安全場(chǎng)所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過限流和限壓電路限制了送往現(xiàn)場(chǎng)本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險(xiǎn)能量串入本安電路，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。安全柵安裝于安全場(chǎng)所，接收來自危險(xiǎn)區(qū)的信號(hào),輸出安全信號(hào)到安全區(qū)或危險(xiǎn)區(qū)。如圖1所示：圖1 安全柵是連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和系統(tǒng)的中間設(shè)備由于安全柵被設(shè)計(jì)為介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的接口，因此無論控制室設(shè)備處于正?；蚬收蠣顟B(tài)，安全柵都能確保通過它傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。2.2 安全柵的結(jié)構(gòu)形式 常見的安

3、全柵結(jié)構(gòu)形式分為二大類：一類為齊納式安全柵，它是通過快速熔斷絲和限壓、限流電路實(shí)現(xiàn)能量限制作用，使用在本安防爆系統(tǒng)中，不論現(xiàn)場(chǎng)本安儀表發(fā)生任何故障，都保證傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)(危險(xiǎn)區(qū))的能量處于一個(gè)安全值內(nèi)（不會(huì)點(diǎn)燃規(guī)定的分級(jí)、分組爆炸性氣體的混合物),從而保證生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全。另一類是隔離式安全柵，它是本安回路與非本安回路之間通過光、電、電磁等隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出的隔離，由于信號(hào)完全浮空，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力，提高了自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。隔離式安全柵一般也在本安端也加類似于齊納式安全柵的快速熔斷絲和限流、限壓電路實(shí)現(xiàn)能量的限制，確保本安防爆系統(tǒng)的安全。2.2.1 齊納式安全柵齊納

4、安全柵原理簡(jiǎn)單、電路實(shí)現(xiàn)容易，價(jià)格低廉，但因由于其自身對(duì)接地要求很高，使其應(yīng)用中的可靠性受到很大影響，并限制了其應(yīng)用范圍，其原因如下：1、安裝位置必須有非?？煽康慕拥叵到y(tǒng)，并且該齊納式安全柵的接地電阻連線必須小于1，否則便失去防爆安全保護(hù)性能。2、自身的構(gòu)造和工作要求，使得齊納柵工作時(shí)不穩(wěn)定，常出現(xiàn)莫名其妙的波動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。3、齊納式安全柵對(duì)電源影響較大，同時(shí)也易因電源的波動(dòng)而造成齊納式安全柵的損壞。2.2.2 隔離式安全柵隔離式安全柵與齊納式安全相比，雖然價(jià)格略高，但其它方面的突出優(yōu)點(diǎn)卻為用戶應(yīng)用帶來了更大的受益：1.由于采用了三方隔離方式，因此無需設(shè)置專用接地線路，給設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工帶

5、來極大方便；可以采用導(dǎo)軌集中供電，可節(jié)省安全柵逐個(gè)配電的工作，減少故障率、節(jié)省線纜。2.由于信號(hào)線路無需共地，使得檢測(cè)和控制回路信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強(qiáng)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。3. 用手持終端與安全柵進(jìn)行HART通信，可根據(jù)工藝生產(chǎn)要求設(shè)置異常狀態(tài)、故障狀態(tài)時(shí)安全柵的輸出，減少儀表回路誤動(dòng)作，提高了報(bào)警聯(lián)鎖回路的可靠性和可用性。4.隔離式安全柵具備更強(qiáng)的輸入信號(hào)處理能力，能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等信號(hào)，這是齊納式安全柵所無法做到的。 因此，通過對(duì)比齊納式和隔離式安全柵的特點(diǎn)和性能后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優(yōu)點(diǎn)和更為廣泛用途，從設(shè)計(jì)、施工安裝、調(diào)試及維護(hù)成本來考慮

6、，其綜合成特要低于齊納式安全柵。特別是在要求較高的工程現(xiàn)場(chǎng)，都采用可靠性更高的隔離式安全柵構(gòu)成本安回路，隔離式安全柵已逐漸取代了齊納式安全柵，在安全防爆領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。3. 隔離式安全柵的應(yīng)用隔離式安全柵比齊納式安全柵從各方面看都更具優(yōu)勢(shì)，所以在這次成型車間DCS控制系統(tǒng)的改造中選用了P+F公司生產(chǎn)的隔離式安全柵。由于在DCS改造之前已將現(xiàn)場(chǎng)的溫度一次元件加裝了羅斯蒙特的248溫度變送器，所以此次改造沒有使用RTD安全柵，主要用到了以下幾種安全柵：1、模擬量輸入 KFD2-STC4-EX1； 2、模擬量輸出 KFD2-SCD-EX1.LK；3、開關(guān)量輸出KFD2-SD2-EX2；4、

7、開關(guān)量輸入KFD2-SR2-EX2.W下面將對(duì)這4種安全柵進(jìn)行重點(diǎn)的闡述。3.1模擬量輸入 KFD2-STC4-EX1 3.1.1主要技術(shù)參數(shù)單通道，允許安裝在危險(xiǎn)區(qū)防爆等級(jí)EEXiaIIC,U0=24.5V電磁兼容性符合NAMUR NE 21輸出隔離，24VDC供電輸入：0/4-20Ma；輸出：0/4-20Ma其結(jié)構(gòu)框圖 ，如下圖2：圖2通過框圖可以看到1、2、3端接現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，7、8端為安全側(cè)，14、15端為電源供電端子。3.1.2主要功能和應(yīng)用1、為智能變送器配電，可以為2/3制變送器配電，并能傳遞模擬信號(hào)到安全側(cè)；2、將電流源傳遞到安全側(cè)，也就是4線制變送器，只傳遞其信號(hào)；3、疊加在模擬信

8、號(hào)上的數(shù)字通訊允許雙向傳輸，可用手持終端與安全柵進(jìn)行HART通信組態(tài)。對(duì)不同變送器接線形式不同，其示意圖如下： 圖3 三線制變送器 兩線制變送器 電流源這次改造中，主要用到了后兩種接線形式，分別舉個(gè)實(shí)例：圖4 兩線制 EJA差壓流量變送器 安全柵 計(jì)算機(jī)卡件圖5 四線制， 質(zhì)量流量計(jì) 安全柵 計(jì)算機(jī)卡件3.2模擬量輸出 KFD2-SCD-EX1.LK 3.2.1主要技術(shù)參數(shù)單通道允許安裝在危險(xiǎn)區(qū)ZONE2防爆等級(jí)EEXiaIIC短路及斷路檢測(cè)HART信號(hào)傳遞（電氣隔離）電磁兼容性符合NAMUR NE 21其結(jié)構(gòu)框圖6，如下：圖6通過框圖可以看到1、2端接現(xiàn)場(chǎng)側(cè)，7、8端為安全側(cè)，11、12端為

9、導(dǎo)軌供電端子。3.2.2主要功能和應(yīng)用1、將4-20mA電流從安全區(qū)傳到危險(xiǎn)區(qū)；2、智能數(shù)字信號(hào)疊加在安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)的模擬信號(hào)上；3、HART信號(hào)允許安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)雙向傳輸；4、線路監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能：正常狀態(tài)下負(fù)載電阻：100-700；線路短路：安全側(cè)輸入電阻小于50；線路開路：當(dāng)ION=20mA時(shí)，安全側(cè)輸入阻抗大于2000；當(dāng)負(fù)載電阻大于700時(shí)，電流信號(hào)無法傳輸；當(dāng)線路斷路時(shí)，輸入阻抗大于100K,電流降到1mA以下，紅色故障指示燈LED閃爍。這種類型安全柵主要時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)閥門定位器和電氣轉(zhuǎn)換器傳輸信號(hào)，下面舉一個(gè)實(shí)例：圖7另外，由于輸出安全柵有線路監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)輸出側(cè)發(fā)生故障，如：線路斷路、短

10、路，或者閥門定位器、電氣轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障時(shí)，面板上用于監(jiān)測(cè)的紅燈會(huì)自動(dòng)閃爍，可以幫助我們更方便快捷的處理問題。3.開關(guān)量輸出 KFD2-SD2-EX23.3.1主要技術(shù)參數(shù)雙通道，通道故障報(bào)警防爆等級(jí)EEXiaIIC根據(jù)IEC61508，安全等級(jí)可達(dá)SIL3其結(jié)構(gòu)框圖，如下： 圖8圖9通過框圖可以看到1、2、3一組，4、5、6一組，接現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的電磁閥，7、8、9端接安全側(cè)控制信號(hào)。3.3.2主要功能和應(yīng)用1、輸入和輸出之間完全隔離，輸出電壓、電流可根據(jù)負(fù)載變化而變化2、端子7和8或8和9 之間的電壓通過DC/DC轉(zhuǎn)換器傳送，輸出端開路電壓約為25VDC,最大電流可達(dá)72mA3、可對(duì)重要聯(lián)鎖輸入/輸

11、出回路構(gòu)成冗余配置，增加安全度4、具有線路監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能，短路、斷路時(shí)紅色故障指示燈LED閃爍。5、應(yīng)用：成型車間有3條干燥箱生產(chǎn)線，使用0.9MPa蒸汽干燥膠粒，膠粒厚度不均勻、機(jī)械擠壓、干燥溫度過高等原因都會(huì)造成干燥箱內(nèi)膠粒發(fā)生冒煙、燃燒，這時(shí)就要求消防蒸汽閥或消防水閥必須及時(shí)開啟滅火，改造中我們使用了KFD2-SD2-EX2隔離安全柵，對(duì)氣動(dòng)線路和控制電磁閥進(jìn)行了技術(shù)改造，構(gòu)成了冗余回路，大大提高了安全度，裝置短停消缺時(shí)的幾次空投實(shí)驗(yàn)，情況良好。配置如圖9。3.4開關(guān)量輸入 KFD2-SR2-EX2.W3.4.1主要技術(shù)參數(shù)雙通道，通道故障報(bào)警防爆等級(jí)EEXiaIIC每個(gè)通道1路信號(hào)傳輸

12、短路及斷路檢測(cè)根據(jù)IEC61508，安全等級(jí)可達(dá)SIL2其結(jié)構(gòu)框圖，如下圖10。圖10圖11通過框圖可以看到1、2、3為一組，4、5、6為一組，接現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的狀態(tài)信號(hào)，7、8、9為一組，10、11、12為一組，接反饋信號(hào)進(jìn)安全側(cè)控制柜DI輸入卡。3.4.2主要功能和應(yīng)用1、安全柵接收來自危險(xiǎn)區(qū)的開關(guān)信號(hào)（符合EN60947-5-6）標(biāo)準(zhǔn)的NAMUR信號(hào)或機(jī)械觸點(diǎn)信號(hào)。2、輸入端、輸出端及電源之間相互隔離并符合EN50020，3、端子7和8或8和9 之間的電壓通過DC/DC轉(zhuǎn)換器傳送，輸出端開路電壓約為25VDC,最大電流可達(dá)72mA；此型隔離式安全柵正面有3個(gè)撥碼開關(guān)，設(shè)置輸入/輸出的開、閉反向、

13、故障報(bào)警等功能，投用前應(yīng)檢查設(shè)置是否正確。4、可對(duì)重要聯(lián)鎖輸入/輸出回路構(gòu)成冗余配置，增加安全度5、具有線路監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能，短路、斷路時(shí)紅色故障指示燈LED閃爍。6、應(yīng)用：成型車間的三條干燥箱頂部各有一根大口徑煙道，升溫干燥過程中產(chǎn)生的尾氣由此引至高空排放，如出現(xiàn)火災(zāi)、燃燒情況，離干燥箱頂部5米多高處安裝一臺(tái)大口徑蝶閥必須及時(shí)關(guān)閉，防止產(chǎn)生風(fēng)筒效應(yīng)并隔絕空氣進(jìn)入干燥室燃燒部位，協(xié)助滅火。改造前由于大口徑蝶閥安裝在高處，檢查維護(hù)都屬于高處作業(yè)，而且大閥處于高溫、高濕、異味環(huán)境運(yùn)行，故障率很高，檢維修很困難，發(fā)生過因煙道大閥關(guān)閉不嚴(yán)造成火勢(shì)加重蔓延的情況，為消除此隱，改造時(shí)現(xiàn)場(chǎng)選用美國邦納的光電位

14、置傳感器，柜內(nèi)配套KFD2-SR2-EX2.W型安全柵隔離后送控制柜，可輸出短路、斷路報(bào)警，開、關(guān)不到位報(bào)警，雙路失諧報(bào)警，儀修人員可根據(jù)報(bào)警類型先進(jìn)行判斷再有針對(duì)性的維護(hù)，大大減少了工作量和工作強(qiáng)度，提高了維護(hù)質(zhì)量，投用以來，運(yùn)行良好。應(yīng)用如圖11。3、5安全柵的選用、安裝、調(diào)試安全柵是介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限能電路，用來把控制室供給現(xiàn)場(chǎng)儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的火花，又不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的儀表表面溫度，從而消除了引爆源。在選擇安全柵時(shí)首先考慮其型號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)儀表類型相適應(yīng)，其次是根據(jù)工藝過程要求和儀表使用工況，合理配置；第三是要考慮安全柵與本質(zhì)安全儀表要求

15、相兼容及形成的本安系統(tǒng)中阻抗匹配的問題。我單位DCS改造所選安全柵的安裝場(chǎng)所，環(huán)境條件能滿足通用技術(shù)指標(biāo)中的“使用條件”的要求。安全柵柜內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌 (35mm)安裝方式, 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌的長度按安全柵個(gè)數(shù)選取，雙路電源，首尾相配，構(gòu)成環(huán)形供電；隔離式安全柵本安端（藍(lán)色標(biāo)記）和非本安端電路的接線導(dǎo)線在匯線槽中應(yīng)分開鋪設(shè)，各自采用獨(dú)立的保護(hù)套管。本安側(cè)的配線套管內(nèi)不允許有其它電源線，包括其本安電路使用的電源線。通往危險(xiǎn)場(chǎng)所的導(dǎo)線應(yīng)選用有藍(lán)色標(biāo)記的本安導(dǎo)線，導(dǎo)線的軟銅面積必須大于0.5mm2，絕緣強(qiáng)度應(yīng)大于500V。在對(duì)隔離式安全柵進(jìn)行通電調(diào)試前，必須注意隔離式安全柵的型號(hào)、接線方法、線路極性等，是否符合設(shè)計(jì)及產(chǎn)品要求中的規(guī)定，否則可能對(duì)人身及設(shè)備造成傷害。P+F隔離柵的接線采用快速可拔插接線端子，輸入端與輸出端用紅色防錯(cuò)插膠條組成不同形狀插槽，調(diào)試過程應(yīng)注意不要隨意修改插槽形狀或丟失防錯(cuò)插膠條。確認(rèn)系統(tǒng)調(diào)試成功后，再把安全柵的外部