西門子SIMATIC系統在安全防爆場所的應用

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。

　　圖1：點對點接線本安防爆方案

　　（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。