安全柵原理及使用介紹教程文件

安全柵原理及使用(shǐyòng)介紹1第一頁，共44頁。安全柵（safetybarrier）安全柵又稱安全限能器、安全保持器，是本安系統(tǒng)中的重要組成部分。安全柵是本安回路(huílù)的安全接口，它能在安全區(qū)（非本質(zhì)安全）和危險區(qū)（本質(zhì)安全）之間雙向傳遞電信號，并可限制因故障引起的安全區(qū)向危險區(qū)的能量轉(zhuǎn)遞。工作電源24V±10%DC環(huán)境溫度0-50℃相對濕度5%~95%RH2第二頁，共44頁。安全柵簡介安全柵應(yīng)用在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計中，它是安裝于安全場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)場本安回路的能量，從而(cóngér)防止非本安電路的危險能量串入本安電路，它在本安防爆系統(tǒng)中稱為關(guān)聯(lián)設(shè)備，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。由于安全柵被設(shè)計為介于現(xiàn)場設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個限制能量的接口，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)場設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。3第三頁，共44頁。齊納式安全柵安全柵有齊納式和隔離式。齊納式安全柵的核心元件為齊納二極管，限流電阻(diànzǔ)及快速熔斷絲。電路中采用快速熔斷器、限流電阻(diànzǔ)或限壓二極管以對輸入的電能量進(jìn)行限制，從而保證輸出到危險區(qū)的能量。4第四頁，共44頁。齊納安全柵，其主要構(gòu)成元件是齊納管，也叫穩(wěn)壓二極管。但齊納二極管只能把電壓值控制住，那么構(gòu)成電能的第二要素的電流由電阻元件控制，具備一定功率承受能力的電阻在這里充當(dāng)了限流的作用，使安全柵輸向危險區(qū)域的電流始終控制在一個(yīɡè)允許的范圍內(nèi)，從而達(dá)到了本安。5第五頁，共44頁。齊納安全柵的特點(tèdiǎn)優(yōu)點：原理簡單、電路實現(xiàn)容易，價格低廉，選型容易，不易損壞，對原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求改動的地方比較少。齊納安全柵的防爆原理是用齊納二級管控制輸出電壓，用電阻限制輸出電流，電路相對簡單。在正常工作時，齊納安全柵相當(dāng)于兩個電阻串入電路，因此對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無須作改動。另外，齊納安全柵由于無信號的轉(zhuǎn)變，對原信號精度也沒有影響。缺點：由于其自身原理的缺陷使其應(yīng)用中的可靠性受到很大影響，并限制了其應(yīng)用范圍。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必須小于1Ω，否則便失去防爆安全保護(hù)性能，這樣的要求是十分苛刻并在實際工程應(yīng)用中難以保證。2．要求來自危險區(qū)的現(xiàn)場儀表必須是隔離型，否則通過齊納式安全柵的接地端子與大地相接后信號無法正確(zhèngquè)傳送，并且由于信號接地，直接降低信號抗干擾能力，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。3．齊納式安全柵對電源影響較大，同時也易因電源的波動而造成齊納式安全柵的損壞。6第六頁，共44頁。隔離(gélí)式安全柵帶有電流隔離(gélí)功能的安全柵，則被稱為隔離(gélí)式安全柵，簡稱隔離(gélí)柵。

7第七頁，共44頁。隔離(gélí)式安全柵組成隔離柵通過變壓器耦合及限壓、限流電路對本安回路和非本安回路之間進(jìn)行隔離。隔離柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號處理單元三部分(bùfen)組成。8第八頁，共44頁?；芈废弈軉卧凶詈诵牡碾娐窞榘踩珫呕鞠弈茈娐贰４送?，輔助有用于驅(qū)動(qūdònɡ)現(xiàn)場儀表的回路供電電路和用于儀表信號采集的檢測電路。電流隔離單元包括變壓器隔離組件、模頻轉(zhuǎn)換和頻模轉(zhuǎn)換電路。信號處理單元則根據(jù)各品種隔離柵的功能要求實施信號處理。9第九頁，共44頁。隔離(gélí)式安全柵特點隔離式安全柵有許多保護(hù)功能電路，意外損壞的可能性較小，允許現(xiàn)場儀表帶電檢修，這樣可縮短工程開車準(zhǔn)備時間和減少停車時間。回路供電隔離式安全柵既保持有源隔離式安全柵的優(yōu)點，又有齊納式安全柵一樣的接線方便，不需要另外24V電源供電，特別適合配I/O卡直接供電的DCS系統(tǒng)。安全柵的主要功能為限流限壓，保證現(xiàn)場儀表可得到的能量在安全范圍內(nèi)。隔離安全柵是以高頻作為基波，將信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，信號有了變動，精度會受到安全柵電路的影響(yǐngxiǎng)。隔離安全柵由于具有高頻震蕩電路，將產(chǎn)生出射頻干擾，對系統(tǒng)不利，而且隔離安全柵也比較容易損壞。但隔離安全柵不需要本安接地，這是它比齊納安全柵優(yōu)越的地方。

10第十頁，共44頁。優(yōu)點：1．輸入、輸出以及電源三方隔離方式，因此無需系統(tǒng)接地線路，給設(shè)計及現(xiàn)場施工帶來極大方便。2．對危險區(qū)的儀表要求大幅度降低，現(xiàn)場無需采用隔離式的儀表。3．由于信號線路無需共地，使得檢測和控制回路信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。4．隔離式安全柵有較強的信號處理能力。如開關(guān)量輸入狀態(tài)控制、mV、Pt100變?yōu)?～20mA等等。這樣給現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更大的方便、合理和有效。5．選用一進(jìn)二出隔離式安全柵可輸出兩路相互隔離的信號，當(dāng)用戶同時(tóngshí)應(yīng)用DCS和ESD時，可以提供給使用同一信號源的兩臺設(shè)備使用，有效地將兩個系統(tǒng)隔離開來，避免系統(tǒng)之間互相影響。同時(tóngshí)提高所連接設(shè)備相互之間的電氣安全絕緣性能。11第十一頁，共44頁。

本安系統(tǒng)除了要選擇(xuǎnzé)合適的安全柵外，使用的時候要注意以下幾個方面：

第一，要注意線纜和現(xiàn)場設(shè)備的容抗和感抗，本安防爆是系統(tǒng)防爆，除了安全柵需要達(dá)到所需的防爆等級外，線纜和現(xiàn)場設(shè)備的蓄能也是一個關(guān)鍵問題。特別是在參量認(rèn)證替代系統(tǒng)認(rèn)證后，工程商尤其要注意這個問題。

第二，要注意本安接地，齊納安全柵需要本安接地，接地電阻應(yīng)小于1。

第三，本安線纜與非本安線纜應(yīng)分開敷設(shè)在不同的線槽里。并應(yīng)有明顯標(biāo)識。

第四，更換時應(yīng)注意斷電。12第十二頁，共44頁。常用(chánɡyònɡ)安全柵對比齊納式和隔離式安全柵的特點和性能后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優(yōu)點(yōudiǎn)和更為廣泛用途，雖然其價格略高于齊納式安全柵，但從設(shè)計、施工安裝、調(diào)試及維護(hù)成本來考慮，其綜合成本可能反而低于齊納式安全柵。在要求較高的工程現(xiàn)場幾乎無一例外地采用了隔離式安全柵作為主要本安防爆儀表，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。因此，四川石化選用的安全柵均為隔離式。主要的安全柵廠商為p+f和MTL13第十三頁，共44頁。P+F公司有幾個系列的隔離柵

1.KF系列隔離柵。

2.KS系列遠(yuǎn)程I/O型隔離柵。它在隔離柵基礎(chǔ)上又集成了遠(yuǎn)程I/O的功能。多達(dá)125臺隔離柵可通過一根通訊總線與DCS系統(tǒng)聯(lián)接。其應(yīng)用可為用戶節(jié)省控制系統(tǒng)的總體投資。

3.E-Card系列隔離柵。機柜整潔、美觀、高雅。維護(hù)十分方便。深得歐洲(ōuzhōu)用戶喜愛。

4.HiD系列隔離柵。其特點為完全的母板安裝方式?，F(xiàn)場側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的接線均在母板上完成，隔離柵上沒有接線。維護(hù)隔離柵時完全不觸動任何接線端子?？刹捎肈CS系統(tǒng)電纜與隔離柵母板聯(lián)接。特別用于DCS和隔離柵總成調(diào)試驗收后，需要拆散、搬運至現(xiàn)場，再重新

安裝聯(lián)接的場合。14第十四頁，共44頁。四川石化主要使用(shǐyòng)了HiD和KF兩個系列的產(chǎn)品1.HiD系列HiC2031HiC2025HiD2081HiC2821：單通道DI安全柵2.KF系列KFD2-UT2-Ex1KFD2-UT2-Ex2KFD2-STC4-Ex1KFD2-STC4-Ex1.2015第十五頁，共44頁。該安全柵應(yīng)用在本安系統(tǒng)中。它將控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的4~20mA信號輸出到位于危險區(qū)域的閥門定位器。危險區(qū)或安全區(qū)的數(shù)字信號可以疊加在模擬信號上，并可以雙向傳遞。一個開放的領(lǐng)域電路。該模塊安裝在HIC終端板上。HiC2031：AO安全柵16第十六頁，共44頁。撥片開關(guān)設(shè)置撥片開關(guān)位于安全柵背面，用于設(shè)置AO回路(huílù)的開路電壓（出廠設(shè)置為＜27V）17第十七頁，共44頁。HiC2025：AI安全柵該安全柵應(yīng)用在本安系統(tǒng)中。可作為危險區(qū)的兩線制變送器，也可作為電流源。該安全柵視為獨立電流值將AI信號傳輸?shù)桨踩珔^(qū)域。支持雙向通信，智能(zhìnénɡ)變送器可以用電流傳送數(shù)據(jù)，用電壓調(diào)制接收數(shù)據(jù)。該裝置安裝在HIC終端板上。18第十八頁，共44頁。撥片開關(guān)設(shè)置撥片開關(guān)位于安全柵背面，安全柵輸出可以通過DIP開關(guān)設(shè)置為有源4~20mA信號、有源1~5V信號、無源(wúyuán)4~20mA信號。（出廠設(shè)置為有源4~20mA信號）19第十九頁，共44頁。HiD2081：單通道溫度(wēndù)安全柵該安全柵應(yīng)用在本安系統(tǒng)中?？梢詫⑽ｋU區(qū)的熱電偶（TC）、毫伏、電位計、熱電阻（RTD）信號轉(zhuǎn)換為安全區(qū)的獨立、線性信號。如果現(xiàn)場電路(diànlù)故障，安全柵會通過紅色發(fā)光二極管和故障總線提示。通過故障指示板可以檢測故障情況。安全柵可以利用PACTware軟件進(jìn)行組態(tài)。該模塊安裝在HIC終端板上。20第二十頁，共44頁。熱電阻有兩線、三線(sānxiàn)、四線的接法。四川石化廠內(nèi)使用的多為三線(sānxiàn)制接法。21第二十一頁，共44頁。熱電偶為了補償冷端溫度，在安全柵底板的接線(jiēxiàn)端子上并入補償電阻。22第二十二頁，共44頁。撥片開關(guān)設(shè)置撥片開關(guān)位于安全柵背面，安全柵輸出(shūchū)可以通過DIP開關(guān)設(shè)置為有源4~20mA信號、有源1~5V信號、無源4~20mA信號。23第二十三頁，共44頁。該安全柵應(yīng)用在本安系統(tǒng)中，用于從危險區(qū)至安全區(qū)傳輸數(shù)字信號（Namur傳感器/機械觸點）。當(dāng)輸入信號改變狀態(tài)時，該模塊(mókuài)的輸出變化狀態(tài)。模式操作可以逆轉(zhuǎn)開關(guān)S1對側(cè)的單位。一個額外的繼電器用于故障輸出。線路故障檢測（LFD）可以通過開關(guān)S2被選用或禁用。在故障時，繼電器保持?jǐn)嚯姞顟B(tài)，LED指示故障。安全柵有一個獨立的輸出總線。可以通過故障指示板進(jìn)行監(jiān)控故障狀態(tài)。該模塊(mókuài)安裝在HIC端子板。HiC2821：單通道DI安全柵24第二十四頁，共44頁。撥片開關(guān)設(shè)置撥片開關(guān)位于安全柵背面，安全柵輸出可以(kěyǐ)通過DIP開關(guān)設(shè)置。25第二十五頁，共44頁。KFD2-UT2-Ex1特性(tèxìng)單通道隔離安全柵24伏直流電源（電源軌）輸入值：熱電偶，熱電阻，或電壓電流輸出4~20mA有源和無源模式可選PACTware進(jìn)行組態(tài)(zǔtài)在線故障監(jiān)測26第二十六頁，共44頁。功能詳述該安全柵應(yīng)用于本安場合。目的是連接位于危險區(qū)的RTD、熱電偶、或電位器等一次元件，并轉(zhuǎn)換成線性的4~20mA信號至安全區(qū)。安全柵在輸入，輸出，和電源之間提供了獨立(dúlì)的3端子接口?？刹鹦抖俗訅Kk-cjc**可以提供熱電偶內(nèi)部的冷端補償。紅色LED用于故障報警提示。使用電源軌系統(tǒng)時，提供了集成的錯誤信息功能。安全柵可以通過PACTware?組態(tài)軟件編程的。27第二十七頁，共44頁。KFD2-UT2-Ex2特性(tèxìng)雙通道隔離安全柵24伏直流電源（電源軌）輸入值：熱電偶，熱電阻，或電壓可作為信號分離器（一入兩出）電流輸出4~20mA有源和無源模式可選PACTware進(jìn)行組態(tài)(zǔtài)在線故障監(jiān)測28第二十八頁，共44頁。功能詳述使用方法與KFD2-UT2-Ex1型號基本一致，但是多一個輸出端子，可輸出兩路相互隔離的信號，當(dāng)用戶同時應(yīng)用DCS和ESD時，可以提供給使用同一信號源的兩臺設(shè)備使用，有效地將兩個(liǎnɡɡè)系統(tǒng)隔離開來，避免系統(tǒng)之間互相影響。29第二十九頁，共44頁。KFD2-STC4-Ex1

KFD2-STC4-Ex1.2O特性(tèxìng)單通道隔離柵24VDC供電（電源軌）輸入可接2線和3線智能變送器和2線智能電流(diànliú)源輸出4~20mA（KFD2-STC4-Ex1為單入單出

KFD2-STC4-Ex1.2O一入兩出）30第三十頁，共44頁。功能詳述該安全柵應(yīng)用于本安場合。在危險區(qū)域的設(shè)備供應(yīng)2線和3線智能變送器，也可以采用(cǎiyòng)2線制智能電流源。它將模擬輸入信號傳輸?shù)桨踩珔^(qū)，作為獨立的電流值。數(shù)字信號可以疊加在危險區(qū)或安全區(qū)的輸入信號，并且是雙向傳輸。如果回路中的HART通訊器電阻太低，可以使用8，9端子或11，12端子的250?負(fù)載電阻。31第三十一頁，共44頁。P+F安全柵組態(tài)(zǔtài)P+F安全柵組態(tài)(zǔtài)是使用PactWare軟件，安裝該軟件的計算機通過專用的K-ADP-USB電纜與安全柵的接口連接。打開軟件后，進(jìn)入組態(tài)(zǔtài)畫面。第三