Реализация надежной защиты в опасных промышленных условиях является основным требованием безопасности в автоматизации заводов. Производственные объекты часто работают с летучими газами, пылью и химическими веществами, представляющими значительные риски возгорания. Поэтому инженеры систем управления должны использовать интерфейсы с ограничением энергии для изоляции шкафов управления в безопасной зоне от полевых приборов в опасной зоне. В этой статье рассматриваются функции, выбор и электрические принципы барьеров искробезопасности в современных сетях ПЛК и АСУ ТП.

Понимание риска возгорания в взрывоопасных атмосферах

Промышленные объекты представляют различные эксплуатационные опасности в зависимости от наличия горючих материалов. Стандартные регулирующие органы, включая Международную электротехническую комиссию (IEC), классифицируют взрывоопасные атмосферы (зоны Ex) на отдельные категории. Эта классификация зависит от вероятности, частоты и продолжительности наличия воспламеняющейся концентрации газа, пара или пыли.

Для взрыва необходимы три одновременных элемента: топливо, окислитель (обычно кислород) и источник воспламенения. Поскольку топливо и кислород естественно присутствуют в опасных технологических зонах, инженеры управления должны исключить потенциальные источники воспламенения.

Стандартное электрическое оборудование может генерировать тепловую энергию или электрические искры при неисправностях. Если в незащищенном полевом приборе происходит незаизолированное короткое замыкание или дуговой разряд, возникающая искра может воспламенить окружающую атмосферу. Поэтому предотвращение электрического воспламенения является первоочередной задачей при проектировании опасных зон.

Основной принцип искробезопасности

Методология искробезопасности (Ex i) ограничивает электрическую и тепловую энергию, поступающую в опасную зону, чтобы предотвратить воспламенение. Вместо того чтобы сдерживать взрыв, этот метод гарантирует, что электрическая искра или горячая поверхность не достигнут минимальной энергии воспламенения окружающей газовой смеси.

Полная установка искробезопасности требует трех тесно согласованных компонентов:

• Искробезопасный полевой прибор: Прибор, сертифицированный для безопасной работы при низких уровнях мощности.
• Искробезопасная полевая проводка: Экранированный кабель с низкой емкостью, предназначенный для предотвращения внешней электромагнитной индукции.
• Искробезопасный барьер: Интерфейсное устройство, установленное в безопасной зоне, ограничивающее напряжение, ток и общую мощность.

Поддерживая электрические параметры ниже определенных пределов безопасности, система остается безопасной даже при отказах компонентов или коротких замыканиях в полевой проводке.

Принципы работы цанерных и гальванических барьеров

Искробезопасный барьер работает как пассивный или активный интерфейс безопасности между шкафом управления в безопасной зоне и полевым прибором в опасной зоне. В нормальном режиме работы барьер пропускает управляющие сигналы (например, 4-20 мА или цифровые контакты состояния) без изменений.

Однако при возникновении электрической неисправности на стороне безопасной зоны барьер блокирует избыточную энергию, не позволяя ей попасть в опасную зону. Например, если скачок напряжения поднимает напряжение безопасной зоны до 220 В переменного тока, барьер ограничивает выходное напряжение до проектного безопасного уровня, например 24 В постоянного тока.

Физически классический пассивный цанерный барьер использует трехкомпонентную схему для ограничения энергии:

• Быстродействующий предохранитель: Этот элемент разрывает цепь при превышении допустимого тока.
• Цанерные диоды: Они отводят избыточное напряжение непосредственно на выделенный искробезопасный заземляющий контур.
• Ограничивающие ток резисторы: Эти элементы ограничивают ток в цепи до безопасных уровней при коротком замыкании.

При перенапряжении цанерные диоды проводят ток, отводя его на землю, и при продолжительном скачке срабатывает предохранитель. Это действие изолирует проводку опасной зоны от опасной электрической энергии.

Электрическая совместимость и параметры согласования

Проектировщики систем должны проверять электрическую совместимость между барьером безопасности и полевым прибором. Эта проверка требует сравнения максимальных выходных параметров барьера с максимальными входными характеристиками прибора.

Технические тенденции: цанерные барьеры против гальванических изоляторов

Современные производственные объекты все чаще используют активные гальванические изоляторы вместо традиционных пассивных цанерных барьеров. Пассивные цанерные барьеры требуют выделенного низкоомного заземления для безопасного отвода токов неисправностей. Поддержание этой системы заземления требует регулярных проверок и инспекций, что увеличивает эксплуатационные расходы.

В отличие от них, гальванические изоляторы используют оптическую или трансформаторную изоляцию для разделения цепей безопасной и опасной зон. Поскольку они физически изолируют управляющие цепи, гальванические изоляторы не требуют выделенного заземления безопасности. Кроме того, гальваническая изоляция обеспечивает лучшую помехозащищенность сигналов, предотвращая искажения чувствительных аналоговых измерений из-за петлей заземления.

Пример применения: морские нефтяные платформы

На морских нефтегазовых платформах ограниченное пространство заставляет размещать шкафы управления близко к летучим технологическим зонам. В таких установках критически важные приборы, такие как детекторы горючих газов и аварийные запорные клапаны, работают в зонах 1 и 0.

Для защиты этих систем инженеры устанавливают многоканальные гальванические изоляторы внутри шкафов АСУ ТП в безопасной зоне. Эти изоляторы передают сигналы обратной связи 4-20 мА HART из опасной зоны на входные карты АСУ ТП. Если кабель физически повреждается или разрывается из-за сильного морского брызга, изоляторы предотвращают возникновение искр, обеспечивая непрерывную работу и безопасность платформы.

Об авторе: Лин Вэйдун

Лин Вэйдун — старший инженер по автоматизации и специалист по промышленной безопасности с более чем 15-летним опытом проектирования систем и пусконаладки. Он руководил интеграцией барьеров безопасности и сертификацией опасных зон на крупных нефтехимических и химических предприятиях. Лин специализируется на проектировании систем безопасности в соответствии с IEC 61508 / IEC 61511 и установках в опасных зонах. Регулярно публикует технические статьи и руководства по интеграции систем для глобальных платформ промышленной автоматизации.