أهمية حواجز الأمان في أنظمة التحكم PLC وDCS

〡 04 سبتمبر، 2026
〡 بواسطة WUPAMBO

Importance of Safety Barriers in PLC and DCS Control Systems

تتعامل صناعات المعالجة يوميًا مع الغازات القابلة للاشتعال، والسوائل المتطايرة، والأغبرة القابلة للاحتراق. وفي هذه المواقع الخطرة، تشكّل أجهزة القياس الكهربائية خطر اشتعال محتملًا ومستمرًا. ويجب على المهندسين الذين يصمّمون شبكات وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وأنظمة التحكم الموزّعة (DCS) تطبيق استراتيجيات صارمة للحد من الطاقة.

تؤدي حواجز الأمان الذاتي (IS) دور واجهة الحماية الحيوية بين غرف التحكم الآمنة وبيئات الحقل الخطرة. ويحلّل هذا الدليل التقني كيفية حماية حواجز الأمان الذاتي لمعدات الأتمتة ومنع الانفجارات الصناعية الكارثية.

فهم تصنيف المناطق الخطرة ومخاطر الاشتعال

تصنّف المنشآت الصناعية مناطق التشغيل استنادًا إلى تواتر الأجواء المتفجرة ومدتها. وتحدّد معايير مثل IEC 60079 وATEX مناطق محددة لبيئات الغاز (المنطقة 0، والمنطقة 1، والمنطقة 2) وبيئات الغبار.

يتطلب مثلث النار التقليدي ثلاثة عناصر للاحتراق: الوقود، والأكسجين، ومصدر الاشتعال. وتحتوي منشآت المعالجة بطبيعتها على الأكسجين المحيط والغازات القابلة للاحتراق. لذلك، يجب على مهندسي التحكم إزالة مصادر الاشتعال الكهربائية والحرارية من أجهزة قياس الحقل إزالةً صارمة.

يمكن أن تولّد دوائر القصر، أو الشرر الناتج عن تلامس كهربائي، أو أعطال المكوّنات في دوائر الحقل غير المهيّأة بجهد 24 فولت تيار مستمر طاقة كهربائية كافية لإشعال خلائط الغاز المتفجرة المحيطة.

مبادئ تشغيل مفهوم الأمان الذاتي

يحدّ الأمان الذاتي (Ex i) من إجمالي الطاقة الكهربائية في دوائر المنطقة الخطرة بحيث تبقى أقل من الحد الأدنى لطاقة الاشتعال (MIE) لمجموعة الغاز المحيطة.

على عكس الحاويات المقاومة للانفجار التي تحتوي الانفجارات داخليًا، يمنع الأمان الذاتي حدوث الاشتعال من الأساس.

تتكوّن دائرة الأمان الذاتي من ثلاثة مكوّنات مترابطة:

معدات المنطقة الآمنة: وحدات الإدخال/الإخراج الخاصة بوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أو نظام التحكم الموزّع (DCS)، والمركّبة في خزائن تحكم غير خطرة.
الجهاز المرتبط (حاجز الأمان): واجهة تحدّ من الطاقة، تُركَّب بين المنطقة الآمنة وأجهزة الحقل.
جهاز مجال آمن جوهريًا: مستشعرات أو مرسلات أو ملفات لولبية معتمدة تعمل في المناطق الخطرة.

آلية الدائرة الداخلية لحواجز الأمان

تحد حواجز الأمان من الجهد والتيار وإجمالي القدرة المقدمة إلى أجهزة المجال، حتى أثناء أعطال كارثية في مصدر الطاقة الرئيسي.

حواجز زينر السلبية

يتضمن حاجز زينر الأساسي ثلاثة مكونات سلبية رئيسية:

صمامات زينر الثنائية: تحد الصمامات الثنائية من الجهد الزائد العابر القادم من المنطقة الآمنة إلى قيمة جهد زينر آمنة ($V_z$).
مقاومات تحديد التيار: تحد المقاومات الدقيقة من تيار عطل الخرج ($I_{sc}$) إلى مستويات تشغيل آمنة.
مصهر سريع الاستجابة: ينصهر المصهر عندما تحد صمامات زينر الثنائية من التيار الزائد، فيفتح دائرة العطل نهائيًا.

تتطلب حواجز زينر السلبية تأريضًا مخصصًا منخفض الممانعة للغاية للسلامة الجوهرية (أقل من $1\ \Omega$) لتصريف تيارات الأعطال بأمان.

العوازل الجلفانية

تحدد تركيبات نظام التحكم الموزع (DCS) الحديثة بشكل متزايد العوازل الجلفانية النشطة بدلاً من حواجز زينر. تستخدم العوازل الجلفانية محولات داخلية أو قارنات ضوئية أو اقترانًا سعويًا لعزل دوائر التحكم كهربائيًا.

تلغي الحاجة إلى سلك تأريض مخصص للسلامة الجوهرية، مما يبسط توصيلات المجال ويمنع تداخل حلقات التأريض.

مطابقة معلمات الكيانات لتوافق النظام

يجب على مكاملي الأنظمة التحقق من توافق معلمات الكيانات قبل توصيل أجهزة المجال بحواجز الأمان. يجب ألا تتجاوز معلمات الخرج القصوى للحاجز تصنيفات الدخل الآمنة لجهاز المجال.

معلمة حاجز الأمان	العلاقة المطلوبة	معلمة جهاز المجال
$U_o / V_o$ (أقصى جهد خرج)	$\le$	$U_i / V_i$ (أقصى جهد دخل)
$I_o$ (أقصى تيار خرج)	$\le$	$I_i$ (أقصى تيار دخل)
$P_o$ (أقصى قدرة خرج)	$\le$	$P_i$ (أقصى قدرة دخل)
$C_o / C_a$ (أقصى سعة خارجية مسموح بها)	$\ge$	$C_i + C_{ ext{cable}}$ (إجمالي السعة الداخلية وسعة الكابل)
$L_o / L_a$ (أقصى حث خارجي مسموح به)	$\ge$	$L_i + L_{\text{cable}}$ (الحث الداخلي وحث الكابل الكلي)

سيناريو التطبيق: كشف غاز الهيدروكربونات في منصة بحرية

دمجت منصة نفط بحرية كاشفات غاز الهيدروكربونات بتيار 4-20 mA في وحدة تحكم مركزية لنظام السلامة الآلي (SIS). وكانت كاشفات الغاز تعمل في بيئة خطرة من المنطقة 1 معرضة لخليط غازي قابل للانفجار يحتوي على الميثان.

قابلية النظام للتعرض للأعطال

كان من الممكن لعطل تماس مباشر بجهد 230 V AC في خزانة التحكم أن يتجاوز مصادر الطاقة الداخلية، ويوجّه جهد الخط القاتل مباشرة عبر أسلاك توصيل الحساسات الميدانية إلى المنطقة 1.

التنفيذ التقني

ركّب المهندسون عوازل جلفانية مثبتة على قضبان DIN بين قنوات الإدخال التناظرية لنظام السلامة الآلي (SIS) ومرسلات الحقل:

عزل الأعطال: حدّ العازل الطاقة القصوى في المنطقة 1 إلى 28 V DC و93 mA، وهي قيمة أقل بكثير من عتبة اشتعال الميثان.
تكييف الإشارة: حافظ الحاجز على تمرير دقيق لإشارة HART بتيار 4-20 mA دون إضافة أخطاء في قياس الحلقة.
الوقاية من حلقات التأريض: أدى العزل الجلفاني إلى إزالة فروق جهد التأريض بين الوحدات البحرية البعيدة وغرفة التحكم المركزية.

رؤى تقنية وتوصيات ميدانية

يتطلب اختيار حواجز السلامة تحقيق توازن بين متطلبات الحماية وتعقيد التركيب. ورغم أن حواجز زينر توفر تكلفة منخفضة للمكونات لكل قناة، فإن متطلبات التأريض الصارمة وحساسيتها لحلقات التأريض تزيدان من إجمالي الأعباء الهندسية.

بالنسبة إلى مشاريع أنظمة التحكم الموزعة (DCS) واسعة النطاق في مصانع البتروكيماويات ومحطات الطاقة، تُعد العوازل الجلفانية النشطة الحل المفضل. توفر العوازل الجلفانية مناعة فائقة ضد الضوضاء، وتبسيطًا لعمليات التشغيل الأولي، وعزلًا كهربائيًا كاملًا بين قنوات التحكم وأجهزة القياس الميدانية.

نبذة عن المؤلف

تشاو مين هي مهندسة معمارية أولى لسلامة العمليات والأتمتة، وتمتلك خبرة 15 عامًا في تصميم أنظمة التحكم المصنفة وفق مستوى سلامة وظيفية (SIL)، وبنى أنظمة التحكم الموزعة (DCS)، وتركيبات المناطق الخطرة لمنشآت المعالجة الكيميائية والمنشآت البحرية. وتتخصص في الامتثال للمعيار IEC 60079، والتحقق من حلقات السلامة الجوهرية، وتصميم أنظمة الإيقاف الطارئ (ESD).

السابق التالي

العودة إلى الدليل التقني ودليل الشراء

معلمة حاجز الأمان	العلاقة المطلوبة	معلمة جهاز المجال
\(U_o / V_o\) (أقصى جهد خرج)	\(\le\)	\(U_i / V_i\) (أقصى جهد دخل)
\(I_o\) (أقصى تيار خرج)	\(\le\)	\(I_i\) (أقصى تيار دخل)
\(P_o\) (أقصى قدرة خرج)	\(\le\)	\(P_i\) (أقصى قدرة دخل)
\(C_o / C_a\) (أقصى سعة خارجية مسموح بها)	\(\ge\)	\(C_i + C_{ ext{cable}}\) (إجمالي السعة الداخلية وسعة الكابل)
\(L_o / L_a\) (أقصى حث خارجي مسموح به)	\(\ge\)	$L_i + L_{\text{cable}}$ (الحث الداخلي وحث الكابل الكلي)