اجرای حفاظت قوی در محیط‌های صنعتی خطرناک، یک نیاز اساسی ایمنی در اتوماسیون کارخانه‌ها است. تأسیسات فرآیندی اغلب با گازهای فرار، گرد و غبار و عوامل شیمیایی سروکار دارند که خطرات قابل توجهی در زمینه احتراق ایجاد می‌کنند. بنابراین، مهندسان سیستم‌های کنترل باید از رابط‌های محدودکننده انرژی برای جداسازی تابلوهای کنترل در مناطق ایمن از ابزارهای میدانی در مناطق خطرناک استفاده کنند. این مقاله به بررسی عملکرد، انتخاب و اصول الکتریکی موانع ایمنی ذاتی در شبکه‌های مدرن PLC و DCS می‌پردازد.

درک خطر اشتعال در جوهای انفجاری

مکان‌های صنعتی بر اساس حضور مواد قابل اشتعال، خطرات عملیاتی متنوعی دارند. نهادهای استاندارد مانند کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) جوهای انفجاری (مناطق Ex) را به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌کنند. این طبقه‌بندی بر اساس احتمال، فراوانی و مدت زمان وجود غلظت قابل اشتعال گاز، بخار یا گرد و غبار است.

برای وقوع انفجار، سه عنصر همزمان لازم است: سوخت، عامل اکسیدکننده (معمولاً اکسیژن) و منبع اشتعال. از آنجا که سوخت و اکسیژن به طور طبیعی در مناطق فرآیندی خطرناک وجود دارند، مهندسان کنترل باید منابع احتمالی اشتعال را حذف کنند.

تجهیزات الکتریکی استاندارد می‌توانند در هنگام خطاهای سخت‌افزاری انرژی حرارتی یا جرقه الکتریکی تولید کنند. اگر اتصال کوتاه بدون عایق یا قوس الکتریکی در یک دستگاه میدانی بدون حفاظت رخ دهد، جرقه حاصل می‌تواند جو اطراف را مشتعل کند. بنابراین، جلوگیری از اشتعال الکتریکی یکی از نگرانی‌های اصلی در طراحی مناطق خطرناک است.

اصل اساسی ایمنی ذاتی

روش طراحی ایمنی ذاتی (Ex i) انرژی الکتریکی و حرارتی وارد شده به یک محل خطرناک را محدود می‌کند تا از اشتعال جلوگیری شود. به جای مهار انفجار، این روش تضمین می‌کند که جرقه الکتریکی یا سطح داغ نتواند به حداقل انرژی اشتعال مخلوط گازی اطراف برسد.

یک نصب کامل ایمنی ذاتی به سه جزء کاملاً هماهنگ نیاز دارد:

• یک دستگاه میدانی ایمنی ذاتی: ابزاری که برای عملکرد ایمن در سطوح توان پایین تأیید شده است.
• یک سیستم سیم‌کشی میدانی ایمنی ذاتی: کابل‌های محافظت‌شده با ظرفیت کم که برای جلوگیری از القای الکترومغناطیسی خارجی طراحی شده‌اند.
• یک مانع ایمنی ذاتی: دستگاه رابطی که در منطقه ایمن نصب شده و ولتاژ، جریان و توان کل را محدود می‌کند.

با حفظ پارامترهای الکتریکی زیر آستانه‌های ایمنی مشخص، سیستم حتی در صورت خرابی قطعات یا اتصال کوتاه در سیم‌کشی میدانی ایمن باقی می‌ماند.

اصول عملکرد موانع زنر و گالوانیک

یک مانع ایمنی ذاتی به عنوان یک رابط ایمنی غیرفعال یا فعال بین تابلو کنترل منطقه ایمن و دستگاه میدانی منطقه خطر عمل می‌کند. در عملیات عادی، مانع سیگنال‌های کنترلی (مانند حلقه‌های 4-20 میلی‌آمپر یا کنتاکت‌های وضعیت دیجیتال) را بدون تغییر عبور می‌دهد.

اما اگر خطای الکتریکی در سمت منطقه ایمن رخ دهد، مانع انرژی اضافی را از ورود به منطقه خطر جلوگیری می‌کند. برای مثال، اگر افزایش ولتاژ باعث شود ولتاژ منطقه ایمن به 220 ولت متناوب برسد، مانع ایمنی ولتاژ خروجی را به حد ایمن طراحی شده، مانند 24 ولت مستقیم، محدود می‌کند.

از نظر فیزیکی، یک مانع زنر کلاسیک غیرفعال از یک مدار سه‌قسمتی برای محدود کردن انرژی استفاده می‌کند:

• یک فیوز سریع‌العمل: این قطعه مدار را در صورت عبور جریان بیش از حد مجاز قطع می‌کند.
• دیودهای زنر: این‌ها ولتاژ اضافی را مستقیماً به زمین ایمنی اختصاصی هدایت می‌کنند.
• مقاومت‌های محدودکننده جریان: این قطعات جریان حلقه را در شرایط اتصال کوتاه به سطوح ایمن محدود می‌کنند.

در هنگام خطای افزایش ولتاژ، دیودهای زنر هدایت می‌کنند و جریان خطا را به زمین منحرف می‌کنند و اگر افزایش ولتاژ ادامه یابد، فیوز داخلی قطع می‌شود. این عمل سیم‌کشی منطقه خطر را از انرژی الکتریکی خطرناک جدا می‌کند.

سازگاری الکتریکی و پارامترهای تطبیق

طراحان سیستم باید سازگاری الکتریکی بین مانع ایمنی و ابزار میدانی را تأیید کنند. این تأیید با مقایسه پارامترهای خروجی حداکثر مانع ایمنی با رتبه‌بندی ورودی حداکثر ابزار میدانی انجام می‌شود.

روندهای فنی: موانع زنر در مقابل ایزولاتورهای گالوانیک

تأسیسات فرآیندی مدرن به طور فزاینده‌ای از ایزولاتورهای گالوانیک فعال به جای موانع زنر غیرفعال سنتی استفاده می‌کنند. موانع زنر غیرفعال نیاز به اتصال زمین اختصاصی با امپدانس پایین برای منحرف کردن ایمن جریان‌های خطا دارند. نگهداری این شبکه زمین نیازمند آزمایش و بازرسی منظم است که هزینه‌های نگهداری عملیاتی را افزایش می‌دهد.

در مقابل، ایزولاتورهای گالوانیک از جداسازی نوری یا مبتنی بر ترانسفورماتور برای جدا کردن مدارهای ایمن و خطرناک استفاده می‌کنند. از آنجا که این ایزولاتورها حلقه‌های کنترل را به صورت فیزیکی جدا می‌کنند، نیازی به اتصال زمین ایمنی اختصاصی ندارند. علاوه بر این، جداسازی گالوانیک ایمنی بالاتر در برابر نویز سیگنال فراهم می‌کند و از ایجاد حلقه‌های زمین که می‌توانند اندازه‌گیری‌های حساس آنالوگ را مخدوش کنند، جلوگیری می‌کند.

نمونه کاربرد: سکوهای نفتی فراساحلی

در سکوهای تولید نفت و گاز فراساحلی، محدودیت فضا باعث می‌شود تابلوهای کنترل نزدیک به مناطق فرآیندی فرار قرار گیرند. در این نصب‌ها، ابزارهای حیاتی ایمنی مانند آشکارسازهای گاز قابل اشتعال و شیرهای قطع اضطراری در محیط‌های Zone 1 و Zone 0 کار می‌کنند.

برای حفاظت از این سیستم‌ها، مهندسان ایزولاتورهای گالوانیک چندکاناله را در محفظه‌های DCS منطقه ایمن نصب می‌کنند. این ایزولاتورها سیگنال‌های بازخورد 4-20 میلی‌آمپر HART را از منطقه خطر به کارت‌های ورودی DCS منتقل می‌کنند. اگر کابل فیزیکی قطع یا توسط پاشش شدید دریا آسیب ببیند، ایزولاتورها از ایجاد جرقه جلوگیری کرده و عملیات و ایمنی مداوم سکو را حفظ می‌کنند.

درباره نویسنده: لین ویدونگ

لین ویدونگ مهندس ارشد اتوماسیون و متخصص ایمنی فرآیند با بیش از ۱۵ سال تجربه در طراحی سیستم و راه‌اندازی میدانی است. او مدیریت یکپارچه‌سازی موانع ایمنی و صدور گواهینامه مناطق خطرناک را برای کارخانه‌های بزرگ پتروشیمی و شیمیایی بر عهده داشته است. لین در طراحی سیستم‌های ابزار ایمنی مطابق با IEC 61508 / IEC 61511 و نصب حلقه‌های مناطق خطر تخصص دارد. او به طور منظم مقالات فنی و راهنماهای یکپارچه‌سازی سیستم را برای پلتفرم‌های جهانی اتوماسیون صنعتی منتشر می‌کند.