西門子SIMATIC系統在安全防爆場所的應用

分類：技術教程日期：2009-08-18 09:24:54 來源：廠商

1. 前言

化工生產過程中相當大的一部分場所為具有爆炸危險性氣體存在的危險場所，自動控制系統在這類場合下的應用一定要遵從符合防爆安全技術規范。在爆炸危險區內本質安全防爆（Ex-i）方式是自控設計者經常使用的方法，本安防爆在過程控制系統工程設計、施工、工程造價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）具有明顯的優越性。

西門子的全集成一體化控制系統在危險區的本安防爆應用方式上具有很大的靈活性。具有大量安全防爆產品可供用戶設計成為滿足不同要求的本安防爆系統，極大的方便了用戶的選擇和應用，用戶可以根據自己的實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。

本文就西門子防爆系統的幾種應用方式進行了探討和總結，以求對防爆用戶的設計應用有所幫助啟發。

2. 爆炸性危險場所的劃分

在危險場所中安全地使用爆炸性環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運行時必要的維護。因此應根據其使用所在的危險場所的性質來合理的選擇防爆電氣設備。

危險場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或者爆炸危險的場所。典型的危險場所，如石油化工行業中爆炸性物質的生產、加工和貯存過程中所形成的環境。對爆炸性氣體環境，按場所中危險物質存在時間的長短，將爆炸性氣體環境危險區域劃分為三個區，即分為Ex.Zone0區、Ex.Zone1區和Ex.Zone2區。

Ex.Zone0區：連續出現或長期出現爆炸性氣體混和物的環境。

Ex.Zone1區：在正常運行時可能出現爆炸性氣體混和物的環境。

Ex.Zone2區：在正常運行時不可能出現爆炸性氣體混和物的環境或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混和物的環境。

在工程實踐中，Ex.Zone0區一般只存在于密閉的容器、貯罐等內部氣體空間，在實際設計過程中Ex.Zone1區也很少存在，大多數情況屬于Ex.Zone2區。

為實現電氣設備防爆，工程上采取了多種防爆技術方法，并通過防爆認證，構成防爆電氣設備，用來防止爆炸危險性環境形成及其爆炸。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備。對于自控系統來說，最常見的是隔爆和本安兩種防爆技術方法。本安防爆技術又具有很多優點，如本質安全，結構簡單，可帶電檢修等，在過程儀表自控系統中是第一選擇。

本質安全型電氣設備是從限制電路中的能量入手，通過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燃規定的氣體混合物能量以下，導線及元件、殼體表面的發熱溫度也限制在規定的氣體混合物的點燃溫度之下。本質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，產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的本質安全電路。它又分為“ia”、“ib”兩個等級， “ia”等級電氣設備，是正常工作和施加一個故障和任意組合的兩個故障條件下，均不能引起點燃的本質安全型電氣設備；“ib”等級電氣設備，是正常工作和施加一個故障條件下，不能引起點燃的本質安全型電氣設備(參見GB38364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Ex-ia設備適用于Ex.Zone 0、1、2區或Ex-ib設備適用于Ex.Zone 1、2區。本安防爆設備可以在帶電情況下進行檢修和校準，因此尤其適合過程自控系統應用。

本安防爆技術的優點和特點使得其在過程自動控制領域獲得了越來越廣泛的應用，本文將以自控系統的本安應用作為重點進行討論。

3. 西門子SIMATIC系統在安全防爆場所的幾種應用解決方案

由于近年西門子全集成自動化（TIA）理念在西門子系統中的推廣和應用，西門子SIMATIC系統尤其PCS 7系統中增添了許多可供用戶選擇的豐富的安全防爆系統解決方案，大大加強了其在安全防爆領域的應用能力。而且由于本質安全型現場總線PROFIBUS-PA的推廣應用，日臻成熟，為解決傳統的安全防爆系統設計提供了更靈活、可靠的解決方案。本文主要介紹以西門子SIMATIC系統為核心構架完成一個安全防爆系統的幾種典型解決方案。

(1)從點對點接線到點對點接線(Point to Point)解決方案

即傳統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。應用特點是本安防爆現場儀表以點對點的接線方式通過電纜接至安全區控制柜內的安全柵，安全柵再以點對點的接線方式接至控制系統(DCS／PLC)的通用I/O卡。這是傳統的本安防爆接口技術。

(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卡板基礎上增加本安電路，使之成為本安防爆卡板，可直接與現場兩線制本安儀表相連接，省卻安全柵環節，構成本安防爆控制系統，見圖2所示。其本質與DCS/PLC+安全柵方案相同，但是減少了安全柵環節，節省了線路連接點，因此能夠降低系統的故障點。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，其防爆等級為Ex-ibIIC，可以掛接Ex.Zone1區內的本安儀表。由于本安防爆卡板使用了集成安全柵技術，減少了隔離式和齊納式安全柵的使用，因此結構緊湊，節約了空間和費用。

（3）從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案

即FISCO現場總線解決方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現場總線本質安全防爆構想模型簡稱FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA現場總線以本質安全方式安裝使用在Ex-區成為可能，以經濟簡便的方式解決了現場總線的防爆應用問題。FISCO適用于Ex-iaIIC級別的本安防爆方式。PROFIBUS-PA總線既能實現數字通訊（31.25kbps），又可實現對所掛接現場總線儀表的本安供電。西門子PROFIBUS-PA總線防爆系統一般由DP/PA耦合器/鏈接器，本安配電鏈接模塊，T型總線接頭、PA總線電纜和本安現場總線儀表構成。Bus to Bus方式的應用特點是智能現場總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上，經過上述產品，仍以現場總線方式接至控制系統的現場總線網卡。整個系統的數據信號鏈路用一條雙絞電纜即可構成。

其特點是：直接用于危險區域中的現場總線不僅節省了大量的布線成本，而且也節約了許多傳統方案中必須的I/O 信號的隔離柵、配電盤和分流器和大量信號電纜，同時節約了大量控制箱柜空間。此外，還可以省去防爆現場元件的機械保護裝置如雙層絕緣、附加金屬保護網等，以及在使用非本質安全導線時所需要的防爆鋼管。

FISCO本質安全現場總線（如PROFIBUS-PA）是最新的本安防爆接口技術。

(4)從點對點接線到總線(Point to Bus) 解決方案

即本安防爆遠程分布式I/O方案，產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系列本質安全分布式I/O。見圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應用在Ex.Zone 1區，通過點對點電纜連接至Ex.Zone 0區的本安儀表。

與從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案相比，其應用特點是：現場儀表仍可以采用傳統4～20mA本安儀表，以點對點的接線方式接至分布式I/O，而分布式I/O向上則以經本安鏈接器485/iS隔離后的PROFIBUS-DP/iS（1.5Mbps）總線方式接至控制系統通信總線或現場總線網卡。ET200iSP不僅具有安全柵功能，為現場回路提供本質安全防爆，而且ET200iSP本身還具有很高的防爆安全等級，其I/O模塊、電源模塊和網關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，可對其所有電子模塊（包括電源模塊和總線連接模塊）進行帶電熱插拔維護、操作。顯然，這種本安防爆解決方案中，現場儀表仍可使用傳統的4—20mA儀表。本安防爆遠程分布式I/O方案是能兼顧FISCO現場總線方式和點對點方式兩類應用方案優點的一種中間方案，也是本文將詳細討論的方案。　

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如果選用相應的防爆結構和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后，其本身就構成無火花型防爆形式，可以直接安裝在危險區。但ET200M本身的防爆級別要比ET200iSP低，只能安裝在增安型(Ex e)保護箱中，用于Ex.Zone 2區。ET200M的數據傳輸采用PROFIBUS-DP，最高速率可達12 Mbps，相比ET200iSP的1.5Mbps通訊速率要高。

4. 西門子控制系統防爆器件介紹

（1）ET200iSP

SIMATIC ET-200iSP是用于Ex危險區的分布式I/O系統。使用符合歐洲電工標準委員會標準防爆等級Ex[ia/ib] IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外設，可以安裝于危險區域Ex.Zone 1中，連接來自Ex.Zone 0區的本安信號。ET-200iSP通過本質安全的PROFIBUS-DP/iS總線實現與控制系統的通訊，傳輸速率1.5Mbps。

一個SIMATIC ET-200iSP 站點由一個密封電源、一個用于連接PROFIBUS-DP 的接口模塊(可擴展32 塊電子模塊)，和一個總線終端電阻模塊組成。而且，其電源和接口模塊均可進行冗余配置。

ET-200iSP的防爆電源是一個隔爆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端子實現，在危險區不允許拆開此連接。而且送電電源必須安裝在安全區。

每臺ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模塊最多可連接64個模擬信號或128個數字信號。

ET-200iSP的模塊化結構為用戶提供了最大限度的靈活性，可以連接NAMUR 數字量輸入、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構，而且在危險1區可對所有的電子模塊(包括供電及總線連接模塊)帶電進行更換，即“熱插拔”。

HART 協議模板可實現與HART儀表的無縫集成。

采用彈簧壓緊或螺釘快速連接現場本安設備。

（2） ET200M

在SIMATIC ET 200 產品系列中， ET 200M 是主要的分布式I/O系統，與SIMATIC PCS7一起用于過程應用，支持在線修改( 使用有源總線模塊設計)，它可使用豐富的S7-300 I/O 模塊包括S7-300標準信號模塊，冗余信號模塊，防爆輸入/ 輸出模塊以及符合HART協議的防爆模擬量輸入和輸出模塊。每個ET200M接口模塊最多可以連接8 個I/O 模塊。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 現場總線上的從站，最大數據傳輸速率為12 Mbit/s。