Melaksanakan perlindungan kukuh dalam persekitaran industri berbahaya merupakan keperluan keselamatan asas dalam automasi kilang. Kemudahan proses sering mengendalikan gas mudah terbakar, habuk, dan agen kimia yang menimbulkan risiko pembakaran yang ketara. Oleh itu, jurutera sistem kawalan mesti menggunakan antara muka had tenaga untuk mengasingkan kabinet kawalan kawasan selamat daripada instrumen lapangan kawasan berbahaya. Artikel ini mengkaji fungsi, pemilihan, dan prinsip elektrik penghalang keselamatan intrinsik dalam rangkaian PLC dan DCS moden.

Memahami Risiko Penyalaan dalam Atmosfera Letupan

Lokasi industri menghadirkan pelbagai bahaya operasi berdasarkan kehadiran bahan mudah terbakar. Badan pengawalseliaan standard, termasuk Suruhanjaya Elektroteknikal Antarabangsa (IEC), mengklasifikasikan atmosfera letupan (zon Ex) ke dalam kategori berbeza. Pengelasan ini bergantung pada kebarangkalian, kekerapan, dan tempoh kepekatan gas, wap, atau habuk yang boleh menyala.

Satu letupan memerlukan tiga elemen serentak: bahan bakar, agen pengoksida (biasanya oksigen), dan sumber penyalaan. Oleh kerana bahan bakar dan oksigen secara semula jadi hadir di kawasan proses berbahaya, jurutera kawalan mesti menghapuskan sumber penyalaan yang berpotensi.

Peralatan elektrik standard boleh menghasilkan tenaga terma atau percikan elektrik semasa kerosakan perkakasan. Jika berlaku litar pintas tanpa penebat atau busur sentuhan dalam peranti lapangan yang tidak dilindungi, percikan yang terhasil boleh menyala atmosfera sekeliling. Oleh itu, mencegah penyalaan elektrik adalah keutamaan utama dalam reka bentuk kawasan berbahaya.

Prinsip Teras Keselamatan Intrinsik

Metodologi reka bentuk Keselamatan Intrinsik (Ex i) mengehadkan tenaga elektrik dan terma yang memasuki lokasi berbahaya untuk mengelakkan penyalaan. Daripada mengandungi letupan, kaedah ini memastikan percikan elektrik atau permukaan panas tidak mencapai tenaga penyalaan minimum campuran gas sekeliling.

Pemasangan keselamatan intrinsik lengkap memerlukan tiga komponen yang dipadankan rapat:

• Peranti Lapangan Keselamatan Intrinsik: Instrumen yang disahkan untuk beroperasi dengan selamat pada tahap kuasa rendah.
• Persediaan Pendawaian Lapangan Keselamatan Intrinsik: Kabel berperisai dan berkapasitansi rendah yang direka untuk mengelakkan induksi elektromagnet luaran.
• Penghalang Keselamatan Intrinsik: Peranti antara muka yang dipasang di kawasan selamat yang mengehadkan voltan, arus, dan jumlah kuasa.

Dengan mengekalkan parameter elektrik di bawah ambang keselamatan tertentu, sistem kekal selamat walaupun berlaku kegagalan komponen atau litar pintas dalam pendawaian lapangan.

Prinsip Operasi Penghalang Zener dan Galvanik

Penghalang keselamatan intrinsik berfungsi sebagai antara muka keselamatan pasif atau aktif antara kabinet kawalan kawasan selamat dan peranti lapangan kawasan berbahaya. Semasa operasi biasa, penghalang membenarkan isyarat kawalan (seperti gelung 4-20 mA atau sentuhan status digital) tanpa pengubahsuaian.

Walau bagaimanapun, jika berlaku kerosakan elektrik di sebelah kawasan selamat, penghalang menghalang tenaga berlebihan daripada memasuki kawasan berbahaya. Contohnya, jika lonjakan kuasa menaikkan voltan kawasan selamat kepada 220 VAC, penghalang keselamatan mengehadkan voltan keluaran kepada had selamat yang direka, seperti 24 VDC.

Dari segi fizikal, penghalang Zener pasif klasik menggunakan litar tiga bahagian untuk mengehadkan tenaga:

• Fius Bertindak Pantas: Komponen ini memutuskan litar jika paras arus melebihi had yang ditetapkan.
• Diod Zener: Komponen ini menyalurkan voltan berlebihan terus ke tanah keselamatan intrinsik yang khusus.
• Rintangan Had Arus: Komponen ini mengehadkan arus gelung ke paras selamat semasa keadaan litar pintas.

Semasa kerosakan lebihan voltan, diod Zener mengalirkan arus kerosakan ke tanah dan memutuskan fius jika lonjakan berterusan. Tindakan ini mengasingkan pendawaian kawasan berbahaya daripada tenaga elektrik berbahaya.

Keserasian Elektrik dan Parameter Padanan

Reka bentuk sistem mesti mengesahkan keserasian elektrik antara penghalang keselamatan dan instrumen lapangan. Pengesahan ini memerlukan perbandingan parameter keluaran maksimum penghalang keselamatan dengan penarafan input maksimum instrumen lapangan.

Trend Teknikal: Penghalang Zener berbanding Pengasing Galvanik

Kemudahan proses moden semakin banyak menggunakan pengasing galvanik aktif berbanding penghalang Zener pasif tradisional. Penghalang Zener pasif memerlukan sambungan tanah berdedikasi berimpedans rendah untuk menyalurkan arus kerosakan dengan selamat. Menyelenggara grid tanah ini memerlukan ujian dan pemeriksaan berkala, yang meningkatkan kos penyelenggaraan operasi.

Sebaliknya, pengasing galvanik menggunakan pengasingan optik atau berasaskan transformer untuk memisahkan litar kawasan selamat dan berbahaya. Oleh kerana ia mengasingkan gelung kawalan secara fizikal, pengasing galvanik tidak memerlukan sambungan tanah keselamatan berdedikasi. Selain itu, pengasingan galvanik memberikan ketahanan bunyi isyarat yang lebih baik, mengelakkan gelung tanah daripada mengganggu pengukuran analog sensitif.

Kes Aplikasi: Platform Minyak Lepas Pantai

Di platform pengeluaran minyak dan gas lepas pantai, kekangan ruang meletakkan kabinet kawalan berhampiran kawasan proses mudah terbakar. Dalam pemasangan ini, instrumen kritikal keselamatan seperti pengesan gas mudah terbakar dan injap penutupan kecemasan beroperasi dalam persekitaran Zon 1 dan Zon 0.

Untuk melindungi sistem ini, jurutera memasang pengasing galvanik berbilang saluran dalam petak DCS kawasan selamat. Pengasing ini menghantar isyarat maklum balas HART 4-20 mA dari zon berbahaya ke kad input DCS. Jika kabel fizikal terputus atau rosak akibat semburan laut yang kuat, pengasing menghalang pembentukan percikan, mengekalkan operasi berterusan dan keselamatan di platform.

Mengenai Penulis: Lin Weidong

Lin Weidong ialah jurutera automasi kanan dan pakar keselamatan proses dengan pengalaman lebih 15 tahun dalam reka bentuk sistem dan pengkomisian lapangan. Beliau telah menguruskan integrasi penghalang keselamatan dan pensijilan kawasan berbahaya untuk loji petrokimia dan kimia utama. Lin mengkhusus dalam mereka bentuk sistem instrumen keselamatan (SIS) yang mematuhi IEC 61508 / IEC 61511 dan pemasangan gelung kawasan berbahaya. Beliau secara berkala menerbitkan artikel teknikal dan panduan integrasi sistem untuk platform automasi industri global.