PLC और DCS नियंत्रण प्रणालियों में सुरक्षा अवरोधों का महत्व
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- 〡 द्वारा WUPAMBO
प्रक्रिया उद्योग प्रतिदिन ज्वलनशील गैसों, वाष्पशील द्रवों और ज्वलनशील धूल का प्रबंधन करते हैं। इन खतरनाक स्थानों में विद्युत इंस्ट्रूमेंटेशन लगातार संभावित प्रज्वलन जोखिम प्रस्तुत करता है। प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर (PLC) नेटवर्क और डिस्ट्रीब्यूटेड कंट्रोल सिस्टम (DCS) डिज़ाइन करने वाले इंजीनियरों को कड़ी ऊर्जा-सीमित रणनीतियाँ लागू करनी चाहिए।
इंट्रिंसिक सेफ्टी (IS) बैरियर सुरक्षित नियंत्रण कक्षों और खतरनाक फील्ड वातावरणों के बीच महत्वपूर्ण सुरक्षा इंटरफ़ेस का काम करते हैं। यह तकनीकी मार्गदर्शिका बताती है कि इंट्रिंसिक सेफ्टी बैरियर ऑटोमेशन परिसंपत्तियों की सुरक्षा कैसे करते हैं और विनाशकारी औद्योगिक विस्फोटों को कैसे रोकते हैं।
खतरनाक क्षेत्र वर्गीकरण और प्रज्वलन जोखिमों को समझना
औद्योगिक संयंत्र विस्फोटक वातावरण की आवृत्ति और अवधि के आधार पर परिचालन क्षेत्रों का वर्गीकरण करते हैं। IEC 60079 और ATEX जैसे मानक गैस (ज़ोन 0, ज़ोन 1, ज़ोन 2) और धूल वाले वातावरण के लिए विशिष्ट ज़ोन परिभाषित करते हैं।
पारंपरिक अग्नि त्रिकोण में दहन के लिए तीन तत्व आवश्यक होते हैं: ईंधन, ऑक्सीजन और प्रज्वलन स्रोत। प्रक्रिया संयंत्रों में परिवेशीय ऑक्सीजन और ज्वलनशील गैसें स्वाभाविक रूप से मौजूद होती हैं। इसलिए, नियंत्रण इंजीनियरों को फील्ड इंस्ट्रूमेंटेशन से विद्युत और तापीय प्रज्वलन स्रोतों को सख्ती से हटाना चाहिए।
बिना कंडीशन किए गए 24 V DC फील्ड लूपों में शॉर्ट सर्किट, संपर्क आर्किंग या घटक विफलताएँ आसपास के विस्फोटक गैस मिश्रणों को प्रज्वलित करने के लिए पर्याप्त विद्युत ऊर्जा उत्पन्न कर सकती हैं।
इंट्रिंसिक सेफ्टी अवधारणा के संचालन सिद्धांत
इंट्रिंसिक सेफ्टी (Ex i) खतरनाक क्षेत्र के सर्किटों में कुल विद्युत ऊर्जा को आसपास के गैस समूह की न्यूनतम प्रज्वलन ऊर्जा (MIE) से कम सीमित करती है।
विस्फोट-रोधी एनक्लोज़र के विपरीत, जो विस्फोटों को अंदर ही सीमित रखते हैं, इंट्रिंसिक सेफ्टी प्रज्वलन की घटना को पूरी तरह रोकती है।
इंट्रिंसिक सेफ्टी लूप में आपस में जुड़े तीन घटक होते हैं:
- सुरक्षित क्षेत्र के उपकरण: गैर-खतरनाक नियंत्रण कैबिनेटों में स्थापित PLC या DCS I/O मॉड्यूल।
- संबद्ध उपकरण (सुरक्षा बैरियर): सुरक्षित क्षेत्र और फील्ड उपकरणों के बीच स्थापित ऊर्जा-सीमित इंटरफ़ेस।
- इंट्रिंसिकली सेफ फील्ड डिवाइस: खतरनाक क्षेत्रों में काम करने वाले प्रमाणित सेंसर, ट्रांसमीटर या सोलनॉइड।
सुरक्षा बैरियर की आंतरिक सर्किट कार्यप्रणाली
सुरक्षा बैरियर फील्ड डिवाइसों तक पहुँचने वाले वोल्टेज, धारा और कुल शक्ति को सीमित करते हैं, यहाँ तक कि प्राथमिक विद्युत आपूर्ति में गंभीर दोष होने पर भी।
निष्क्रिय ज़ेनर बैरियर
एक मूल ज़ेनर बैरियर में तीन प्रमुख निष्क्रिय घटक शामिल होते हैं:
- ज़ेनर डायोड: डायोड सुरक्षित क्षेत्र से आने वाले क्षणिक अतिवोल्टेज को सुरक्षित ज़ेनर वोल्टेज रेटिंग ($V_z$) तक सीमित करते हैं।
- धारा-सीमित करने वाले प्रतिरोधक: सटीक प्रतिरोधक आउटपुट दोष धारा ($I_{sc}$) को सुरक्षित संचालन स्तरों तक सीमित करते हैं।
- त्वरित-अभिक्रियाशील फ़्यूज़: जब ज़ेनर डायोड अत्यधिक धारा को सीमित करते हैं, तो फ़्यूज़ उड़ जाता है और दोष सर्किट स्थायी रूप से खुल जाता है।
निष्क्रिय ज़ेनर बैरियरों को दोष धाराओं को सुरक्षित रूप से मोड़ने के लिए समर्पित, अति-निम्न प्रतिबाधा वाले IS अर्थ ग्राउंड ( $1\ \Omega$ से कम) की आवश्यकता होती है।
गैल्वेनिक आइसोलेटर
आधुनिक DCS इंस्टॉलेशन में ज़ेनर बैरियर की तुलना में सक्रिय गैल्वेनिक आइसोलेटर को अधिकाधिक निर्दिष्ट किया जा रहा है। गैल्वेनिक आइसोलेटर नियंत्रण सर्किटों को विद्युत रूप से अलग करने के लिए आंतरिक ट्रांसफॉर्मर, ऑप्टोकपलर या कैपेसिटिव कपलिंग का उपयोग करते हैं।
ये समर्पित इंट्रिंसिकली सेफ ग्राउंड तार की आवश्यकता समाप्त करते हैं, जिससे फील्ड वायरिंग सरल होती है और ग्राउंड लूप हस्तक्षेप रुकता है।
सिस्टम संगतता के लिए इकाई पैरामीटर मिलान
सिस्टम इंटीग्रेटरों को फील्ड उपकरणों को सुरक्षा बैरियर से जोड़ने से पहले इकाई पैरामीटरों की संगतता सत्यापित करनी चाहिए। बैरियर के अधिकतम आउटपुट पैरामीटर फील्ड डिवाइस की सुरक्षित इनपुट रेटिंग से अधिक नहीं होने चाहिए।
| सुरक्षा बैरियर पैरामीटर | आवश्यक संबंध | फील्ड डिवाइस पैरामीटर |
|---|---|---|
| $U_o / V_o$ (अधिकतम आउटपुट वोल्टेज) | $\le$ | $U_i / V_i$ (अधिकतम इनपुट वोल्टेज) |
| $I_o$ (अधिकतम आउटपुट धारा) | $\le$ | $I_i$ (अधिकतम इनपुट धारा) |
| $P_o$ (अधिकतम आउटपुट शक्ति) | $\le$ | $P_i$ (अधिकतम इनपुट शक्ति) |
| $C_o / C_a$ (अधिकतम अनुमत बाहरी धारिता) | $\ge$ | $C_i + C_{\text{cable}}$ (कुल आंतरिक और केबल धारिता) |
| $L_o / L_a$ (अधिकतम अनुमत बाहरी प्रेरकत्व) | $\ge$ | $L_i + L_{\text{cable}}$ (कुल आंतरिक और केबल इंडक्टेंस) |
अनुप्रयोग परिदृश्य: अपतटीय प्लेटफ़ॉर्म पर हाइड्रोकार्बन गैस का पता लगाना
एक अपतटीय तेल प्लेटफ़ॉर्म ने हाइड्रोकार्बन गैस के 4-20 mA डिटेक्टरों को केंद्रीय सुरक्षा इंस्ट्रूमेंटेड सिस्टम (SIS) नियंत्रक में एकीकृत किया। गैस डिटेक्टर विस्फोटक मीथेन गैस मिश्रणों के संपर्क वाले Zone 1 खतरनाक वातावरण में संचालित होते थे।
प्रणाली की भेद्यता
नियंत्रण कैबिनेट में प्रत्यक्ष 230 V AC क्रॉस-फॉल्ट आंतरिक विद्युत आपूर्तियों को बायपास कर सकता था और घातक लाइन वोल्टेज को सेंसर फील्ड वायरिंग के माध्यम से सीधे Zone 1 तक पहुँचा सकता था।
तकनीकी कार्यान्वयन
इंजीनियरों ने SIS एनालॉग इनपुट चैनलों और फील्ड ट्रांसमीटरों के बीच DIN-रेल पर लगाए जाने वाले गैल्वैनिक आइसोलेटर स्थापित किए:
- दोष पृथक्करण: आइसोलेटर ने Zone 1 तक अधिकतम ऊर्जा को 28 V DC और 93 mA तक सीमित रखा, जो मीथेन की प्रज्वलन सीमा से काफी कम था।
- सिग्नल कंडीशनिंग: बैरियर ने लूप मापन त्रुटियाँ जोड़े बिना सटीक 4-20 mA HART सिग्नल पास-थ्रू बनाए रखा।
- ग्राउंड लूप की रोकथाम: गैल्वैनिक आइसोलेशन ने दूरस्थ अपतटीय मॉड्यूलों और केंद्रीय नियंत्रण कक्ष के बीच ग्राउंड पोटेंशियल अंतर को समाप्त कर दिया।
तकनीकी अंतर्दृष्टियाँ और फील्ड अनुशंसाएँ
सुरक्षा बैरियर चुनने के लिए सुरक्षा आवश्यकताओं और स्थापना की जटिलता के बीच संतुलन बनाना आवश्यक है। जबकि ज़ेनर बैरियर प्रति चैनल कम घटक लागत प्रदान करते हैं, उनकी कठोर ग्राउंडिंग आवश्यकताएँ और ग्राउंड लूप के प्रति संवेदनशीलता कुल इंजीनियरिंग कार्यभार बढ़ा देती हैं।
पेट्रोकेमिकल और विद्युत संयंत्रों में बड़े पैमाने की DCS परियोजनाओं के लिए सक्रिय गैल्वैनिक आइसोलेटर पसंदीदा समाधान हैं। गैल्वैनिक आइसोलेटर बेहतर शोर प्रतिरोधकता, सरल कमीशनिंग और नियंत्रण चैनलों तथा फील्ड इंस्ट्रूमेंटेशन के बीच पूर्ण विद्युत पृथक्करण प्रदान करते हैं।
लेखक के बारे में
झाओ मिन रासायनिक प्रसंस्करण और अपतटीय सुविधाओं के लिए SIL-रेटेड नियंत्रण प्रणालियों, DCS अवसंरचनाओं और खतरनाक क्षेत्र स्थापनाओं के डिज़ाइन में 15 वर्षों के अनुभव वाली वरिष्ठ प्रक्रिया सुरक्षा और स्वचालन आर्किटेक्ट हैं। उन्हें IEC 60079 अनुपालन, अंतर्निहित सुरक्षा लूप सत्यापन और आपातकालीन शटडाउन (ESD) प्रणाली डिज़ाइन में विशेषज्ञता प्राप्त है।
- में पोस्ट किया गया:
- Hazardous Area Classification
- Industrial Automation
- Intrinsic Safety Barrier
- PLC DCS Safety Architecture
