يمثل تنفيذ الحماية القوية في البيئات الصناعية الخطرة مطلبًا أساسيًا للسلامة في أتمتة المصانع. غالبًا ما تتعامل منشآت العمليات مع غازات متطايرة، وغبار، وعوامل كيميائية تشكل مخاطر احتراق كبيرة. لذلك، يجب على مهندسي أنظمة التحكم نشر واجهات محدودة الطاقة لعزل خزائن التحكم في المناطق الآمنة عن أجهزة الحقل في المناطق الخطرة. تستعرض هذه المقالة وظيفة وحجم واختيار المبادئ الكهربائية لحواجز السلامة الجوهرية ضمن شبكات PLC وDCS الحديثة.

فهم خطر الاشتعال في الأجواء القابلة للانفجار

تقدم المواقع الصناعية مخاطر تشغيلية متنوعة بناءً على وجود مواد قابلة للاشتعال. تصنف الهيئات التنظيمية القياسية، بما في ذلك اللجنة الدولية للكهرباء (IEC)، الأجواء القابلة للانفجار (مناطق Ex) إلى فئات مميزة. يعتمد هذا التصنيف على احتمال وتكرار ومدة وجود تركيز قابل للاشتعال من الغاز أو البخار أو الغبار.

يتطلب الانفجار وجود ثلاثة عناصر متزامنة: الوقود، وعامل مؤكسد (عادة الأكسجين)، ومصدر اشتعال. وبما أن الوقود والأكسجين موجودان طبيعيًا في مناطق العمليات الخطرة، يجب على مهندسي التحكم القضاء على مصادر الاشتعال المحتملة.

يمكن للمعدات الكهربائية القياسية توليد طاقة حرارية أو شرارات كهربائية أثناء أعطال الأجهزة. إذا حدث قصر غير معزول أو قوس تلامس داخل جهاز ميداني غير محمي، يمكن للشرارة الناتجة أن تشعل الجو المحيط. لذلك، يعد منع الاشتعال الكهربائي من الاهتمامات الأساسية في تصميم المناطق الخطرة.

المبدأ الأساسي للسلامة الجوهرية

تحد منهجية تصميم السلامة الجوهرية (Ex i) من الطاقة الكهربائية والحرارية التي تدخل الموقع الخطير لمنع الاشتعال. بدلاً من احتواء الانفجار، تضمن هذه الطريقة أن الشرارة الكهربائية أو السطح الساخن لا يمكن أن يصل إلى الحد الأدنى لطاقة الاشتعال لمزيج الغاز المحيط.

يتطلب تركيب السلامة الجوهرية الكامل ثلاثة مكونات متطابقة عن قرب:

• جهاز ميداني للسلامة الجوهرية: أداة معتمدة للعمل بأمان تحت مستويات طاقة منخفضة.
• تركيب أسلاك ميدانية للسلامة الجوهرية: كابلات محمية ومنخفضة السعة مصممة لمنع الحث الكهرومغناطيسي الخارجي.
• حاجز السلامة الجوهرية: جهاز واجهة يُركب في المنطقة الآمنة يحد من الجهد والتيار والطاقة الكلية.

من خلال الحفاظ على المعلمات الكهربائية تحت حدود السلامة المحددة، يظل النظام آمنًا حتى أثناء فشل المكونات أو حدوث دوائر قصر في الأسلاك الميدانية.

مبادئ تشغيل حواجز زينر والحواجز الجلفانية

يعمل حاجز السلامة الجوهرية كواجهة أمان سلبية أو نشطة بين خزانة التحكم في المنطقة الآمنة والجهاز الميداني في المنطقة الخطرة. أثناء التشغيل العادي، يمرر الحاجز إشارات التحكم (مثل حلقات 4-20 مللي أمبير أو جهات اتصال الحالة الرقمية) دون تعديل.

ومع ذلك، إذا حدث عطل كهربائي في جانب المنطقة الآمنة، يمنع الحاجز دخول الطاقة الزائدة إلى المنطقة الخطرة. على سبيل المثال، إذا رفع ارتفاع الجهد في المنطقة الآمنة إلى 220 فولت تيار متردد، يحد حاجز الأمان جهد الخرج إلى الحد الآمن المصمم، مثل 24 فولت تيار مستمر.

فيزيائيًا، يستخدم حاجز زينر الكلاسيكي السالب دائرة مكونة من ثلاثة أجزاء للحد من الطاقة:

• صمام أمان سريع الاستجابة: يفصل الدائرة إذا تجاوزت مستويات التيار الحدود المصنفة.
• ثنائيات زينر: تقوم بتحويل الجهد الزائد مباشرة إلى أرض السلامة الجوهرية المخصصة.
• مقاومات محددة للتيار: تحد من تيار الحلقة إلى مستويات آمنة في حالات دوائر القصر.

أثناء عطل زيادة الجهد، تقوم ثنائيات زينر بالتوصيل، وتحويل تيار العطل إلى الأرض، وتفجير الصمام إذا استمر الارتفاع. تعزل هذه العملية الأسلاك في المنطقة الخطرة عن الطاقة الكهربائية الخطرة.

التوافق الكهربائي ومعايير المطابقة

يجب على مصممي النظام التحقق من التوافق الكهربائي بين حاجز الأمان والجهاز الميداني. يتطلب هذا التحقق مقارنة أقصى معلمات خرج لحاجز الأمان مع أقصى تقييمات إدخال للجهاز الميداني.

الاتجاهات التقنية: حواجز زينر مقابل العوازل الجلفانية

تتبنى منشآت العمليات الحديثة بشكل متزايد العوازل الجلفانية النشطة بدلاً من حواجز زينر السلبية التقليدية. تتطلب حواجز زينر السلبية اتصال تأريض مخصص منخفض المقاومة لتحويل تيارات العطل بأمان. يتطلب الحفاظ على شبكة التأريض هذه اختبارات وفحوصات منتظمة، مما يزيد من تكاليف الصيانة التشغيلية.

في المقابل، تستخدم العوازل الجلفانية العزل البصري أو المعتمد على المحولات لفصل الدوائر الآمنة والخطرة. وبما أنها تعزل الحلقات التحكمية فعليًا، لا تحتاج العوازل الجلفانية إلى اتصال تأريض أمان مخصص. بالإضافة إلى ذلك، توفر العزلة الجلفانية مناعة فائقة ضد ضوضاء الإشارة، مما يمنع حلقات الأرض من تشويه القياسات التناظرية الحساسة.

حالة تطبيق: منصات النفط البحرية

على منصات إنتاج النفط والغاز البحرية، تضع قيود المساحة خزائن التحكم بالقرب من مناطق العمليات المتقلبة. في هذه التركيبات، تعمل الأجهزة الحرجة للسلامة، مثل كاشفات الغازات القابلة للاشتعال وصمامات الإغلاق الطارئ، ضمن بيئات المنطقة 1 والمنطقة 0.

لحماية هذه الأنظمة، يركب المهندسون عوازل جلفانية متعددة القنوات داخل خزائن DCS في المنطقة الآمنة. تنقل هذه العوازل إشارات التغذية الراجعة 4-20 مللي أمبير HART من المنطقة الخطرة إلى بطاقات الإدخال في DCS. إذا تم قطع كابل فعلي أو تلفه برذاذ البحر الثقيل، تمنع العوازل توليد الشرر، مما يحافظ على التشغيل المستمر والسلامة على المنصة.

عن المؤلف: لين ويدونغ

لين ويدونغ مهندس أتمتة أول ومتخصص في سلامة العمليات يتمتع بخبرة تزيد عن 15 عامًا في تصميم الأنظمة وتشغيلها ميدانيًا. أدار دمج حواجز السلامة وشهادات المناطق الخطرة لمصانع البتروكيماويات والكيماويات الكبرى. يتخصص لين في تصميم أنظمة السلامة الآلية المتوافقة مع IEC 61508 / IEC 61511 وتركيبات الحلقات في المناطق الخطرة. ينشر بانتظام مقالات فنية وأدلة دمج الأنظمة لمنصات الأتمتة الصناعية العالمية.