اهمیت موانع ایمنی در سیستمهای کنترل PLC و DCS
- 〡
- 〡 by WUPAMBO
صنایع فرایندی روزانه با گازهای قابلاشتعال، مایعات فرّار و غبارهای قابلاحتراق سروکار دارند. در این مکانهای خطرناک، تجهیزات ابزار دقیق الکتریکی همواره خطر بالقوه اشتعال ایجاد میکنند. مهندسانی که شبکههای کنترلگر منطقی برنامهپذیر (PLC) و سیستمهای کنترل توزیعشده (DCS) را طراحی میکنند، باید راهبردهای سختگیرانه محدودسازی انرژی را اجرا کنند.
موانع ایمنی ذاتی (IS) بهعنوان رابط حفاظتی حیاتی بین اتاقهای کنترل ایمن و محیطهای میدانی خطرناک عمل میکنند. این راهنمای فنی بررسی میکند که موانع ایمنی ذاتی چگونه از تجهیزات اتوماسیون محافظت کرده و از انفجارهای فاجعهبار صنعتی جلوگیری میکنند.
درک طبقهبندی نواحی خطرناک و خطرات اشتعال
تأسیسات صنعتی، نواحی عملیاتی را بر اساس بسامد و مدتزمان وجود اتمسفرهای انفجاری طبقهبندی میکنند. استانداردهایی مانند IEC 60079 و ATEX، نواحی مشخصی را برای محیطهای گازی (ناحیه ۰، ناحیه ۱، ناحیه ۲) و غباری تعریف میکنند.
مثلث کلاسیک آتش برای احتراق به سه عنصر نیاز دارد: سوخت، اکسیژن و منبع اشتعال. تأسیسات فرایندی بهطور طبیعی حاوی اکسیژن محیط و گازهای قابلاحتراق هستند. در نتیجه، مهندسان کنترل باید منابع اشتعال الکتریکی و حرارتی را در تجهیزات ابزار دقیق میدانی بهطور جدی حذف کنند.
اتصال کوتاه، جرقهزنی کنتاکتها یا خرابی قطعات در مدارهای حلقهای میدانی ۲۴ ولت DC که محدودسازی نشدهاند، میتواند انرژی الکتریکی کافی برای اشتعال مخلوطهای گازی انفجاری پیرامون ایجاد کند.
اصول عملکرد مفهوم ایمنی ذاتی
ایمنی ذاتی (Ex i) کل انرژی الکتریکی مدارهای ناحیه خطرناک را پایینتر از حداقل انرژی اشتعال (MIE) گروه گازهای پیرامون محدود میکند.
برخلاف محفظههای ضدانفجار که انفجارها را در داخل خود مهار میکنند، ایمنی ذاتی بهطور کامل از وقوع اشتعال جلوگیری میکند.
یک مدار حلقهای ایمنی ذاتی از سه مؤلفه بههمپیوسته تشکیل میشود:
- تجهیزات ناحیه ایمن: ماژولهای ورودی/خروجی PLC یا DCS که در تابلوهای کنترل غیرخطرناک نصب میشوند.
- تجهیزات مرتبط (مانع ایمنی): رابط محدودکننده انرژی که بین ناحیه ایمن و تجهیزات میدانی نصب میشود.
- تجهیز میدانی ذاتاً ایمن: حسگرها، ترانسمیترها یا سلونوئیدهای دارای گواهی که در مناطق خطرناک کار میکنند.
سازوکار داخلی مدارهای سدهای ایمنی
سدهای ایمنی ولتاژ، جریان و توان کل تحویلی به تجهیزات میدانی را حتی هنگام خرابی فاجعهبار منبع تغذیه اولیه محدود میکنند.
سدهای زنر غیرفعال
یک سد زنر پایه از سه جزء غیرفعال اصلی تشکیل میشود:
- دیودهای زنر: دیودها اضافهولتاژ گذرای ناحیه ایمن را به مقدار نامی ولتاژ زنر ایمن ($V_z$) محدود میکنند.
- مقاومتهای محدودکننده جریان: مقاومتهای دقیق، جریان خطای خروجی ($I_{sc}$) را به سطوح عملیاتی ایمن محدود میکنند.
- فیوز سریععمل: هنگامی که دیودهای زنر جریان بیشازحد را محدود میکنند، فیوز میسوزد و مدار خطا را برای همیشه باز میکند.
سدهای زنر غیرفعال برای منحرفکردن ایمن جریانهای خطا به یک اتصال زمین IS اختصاصی با امپدانس بسیار پایین (کمتر از $1\ \Omega$) نیاز دارند.
ایزولاتورهای گالوانیکی
در تأسیسات مدرن DCS، استفاده از ایزولاتورهای گالوانیکی فعال بهجای سدهای زنر روزبهروز بیشتر توصیه میشود. ایزولاتورهای گالوانیکی برای جداسازی الکتریکی مدارهای کنترلی از ترانسفورماتورهای داخلی، اپتوکوپلرها یا کوپلینگ خازنی استفاده میکنند.
آنها نیاز به سیم اتصال زمین اختصاصی ذاتاً ایمن را از بین میبرند، سیمکشی میدانی را ساده میکنند و از تداخل حلقه زمین جلوگیری میکنند.
تطبیق پارامترهای موجودیت برای سازگاری سیستم
یکپارچهسازان سیستم باید پیش از اتصال تجهیزات میدانی به سدهای ایمنی، سازگاری پارامترهای موجودیت را بررسی کنند. حداکثر پارامترهای خروجی سد نباید از مقادیر نامی ورودی ایمن تجهیز میدانی بیشتر باشد.
| پارامتر سد ایمنی | رابطه موردنیاز | پارامتر تجهیز میدانی |
|---|---|---|
| $U_o / V_o$ (حداکثر ولتاژ خروجی) | $\le$ | $U_i / V_i$ (حداکثر ولتاژ ورودی) |
| $I_o$ (حداکثر جریان خروجی) | $\le$ | $I_i$ (حداکثر جریان ورودی) |
| $P_o$ (حداکثر توان خروجی) | $\le$ | $P_i$ (حداکثر توان ورودی) |
| $C_o / C_a$ (حداکثر ظرفیت خازنی خارجی مجاز) | $\ge$ | $C_i + C_{ ext{cable}}$ (مجموع ظرفیت خازنی داخلی و کابل) |
| $L_o / L_a$ (حداکثر اندوکتانس خارجی مجاز) | $\ge$ | $L_i + L_{\text{cable}}$ (کل اندوکتانس داخلی و کابل) |
سناریوی کاربرد: آشکارسازی گاز هیدروکربنی در سکوی فراساحلی
یک سکوی نفتی فراساحلی، آشکارسازهای گاز هیدروکربنی 4-20 mA را به یک کنترلر مرکزی سامانه ابزار دقیق ایمنی (SIS) متصل کرد. آشکارسازهای گاز در محیط خطرناک ناحیه 1 و در معرض مخلوطهای انفجاری گاز متان کار میکردند.
آسیبپذیری سامانه
یک خطای اتصال متقابل مستقیم 230 V AC در کابینت کنترل میتوانست منابع تغذیه داخلی را بایپس کند و ولتاژ خطرناک خط را مستقیماً از طریق سیمکشی میدانی حسگرها به ناحیه 1 هدایت کند.
پیادهسازی فنی
مهندسان ایزولاتورهای گالوانیکی نصبشده روی ریل DIN را بین کانالهای ورودی آنالوگ SIS و ترانسمیترهای میدانی نصب کردند:
- ایزولاسیون خطا: ایزولاتور، حداکثر انرژی ورودی به ناحیه 1 را به 28 V DC و 93 mA محدود کرد که بسیار کمتر از آستانه اشتعال متان است.
- شرطیسازی سیگنال: مانع، عبور دقیق سیگنال 4-20 mA HART را بدون افزودن خطاهای اندازهگیری حلقه حفظ کرد.
- پیشگیری از حلقه زمین: ایزولاسیون گالوانیکی اختلاف پتانسیل زمین بین ماژولهای فراساحلی دوردست و اتاق کنترل مرکزی را حذف کرد.
بینشهای فنی و توصیههای میدانی
انتخاب موانع ایمنی مستلزم ایجاد تعادل بین الزامات حفاظتی و پیچیدگی نصب است. اگرچه موانع زنر هزینه قطعات پایینی بهازای هر کانال دارند، الزامات سختگیرانه آنها برای اتصال زمین و حساسیتشان به حلقههای زمین، سربار کلی مهندسی را افزایش میدهد.
برای پروژههای بزرگمقیاس DCS در کارخانههای پتروشیمی و نیروگاهها، ایزولاتورهای گالوانیکی فعال راهکار ترجیحی هستند. ایزولاتورهای گالوانیکی مصونیت برتر در برابر نویز، راهاندازی سادهتر و ایزولاسیون الکتریکی کامل بین کانالهای کنترل و تجهیزات ابزار دقیق میدانی فراهم میکنند.
درباره نویسنده
ژائو مین معمار ارشد ایمنی فرایند و اتوماسیون است و ۱۵ سال تجربه در طراحی سامانههای کنترل دارای رتبه SIL، زیرساختهای DCS و تأسیسات مناطق خطرناک برای واحدهای فرایندی شیمیایی و تأسیسات فراساحلی دارد. تخصص او شامل انطباق با IEC 60079، راستیآزمایی حلقههای ایمنی ذاتی و طراحی سامانههای قطع اضطراری (ESD) است.
- Posted in:
- Hazardous Area Classification
- Industrial Automation
- Intrinsic Safety Barrier
- PLC DCS Safety Architecture
