西門子SIMATIC系統(tǒng)在安全防爆方面的應(yīng)用

1. 前言

　　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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)防爆認(rèn)證，構(gòu)成防爆電氣設(shè)備，用來(lái)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(wú)火花型等形式的防爆電氣設(shè)備。對(duì)于自控系統(tǒng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可帶電檢修等，在過(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)程自動(dòng)控制領(lǐng)域獲得了越來(lái)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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。

　　圖1：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線本安防爆方案 圖2：本安I/O卡板防爆方案