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西門子SIMATIC系統(tǒng)在安全防爆場所的幾種應(yīng)用解決方案
信息來源： 發(fā)布時(shí)間：2012-02-02 10:44:07 點(diǎn)擊次數(shù)：0
由于近年西門子全集成自動化（TIA）理念在西門子系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用，西門子SIMATIC系統(tǒng)尤其PCS 7系統(tǒng)中增添了許多可供用戶選擇的豐富的安全防爆系統(tǒng)解決方案，大大加強(qiáng)了其在安全防爆領(lǐng)域的應(yīng)用能力。而且由于本質(zhì)安全型現(xiàn)場總線PROFIBUS-PA的推廣應(yīng)用，日臻成熟，為解決傳統(tǒng)的安全防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更靈活、可靠的解決方案。本文主要介紹以西門子SIMATIC系統(tǒng)為核心構(gòu)架完成一個(gè)安全防爆系統(tǒng)的幾種典型解決方案。
(1)從點(diǎn)對點(diǎn)接線到點(diǎn)對點(diǎn)接線(Point to Point)解決方案
即傳統(tǒng)DCS/PLC+安全柵方案，見圖1所示。這類本安防爆接口以隔離式和齊納式安全柵為代表。應(yīng)用特點(diǎn)是本安防爆現(xiàn)場儀表以點(diǎn)對點(diǎn)的接線方式通過電纜接至安全區(qū)控制柜內(nèi)的安全柵，安全柵再以點(diǎn)對點(diǎn)的接線方式接至控制系統(tǒng)(DCS／PLC)的通用I/O卡。這是傳統(tǒng)的本安防爆接口技術(shù)。
(2)本安防爆I/O卡板解決方案
本安防爆I/O卡板解決方案是在DCS／PLC的通用I/O卡板基礎(chǔ)上增加本安電路，使之成為本安防爆卡板，可直接與現(xiàn)場兩線制本安儀表相連接，省卻安全柵環(huán)節(jié)，構(gòu)成本安防爆控制系統(tǒng)，見圖2所示。其本質(zhì)與DCS/PLC+安全柵方案相同，但是減少了安全柵環(huán)節(jié)，節(jié)省了線路連接點(diǎn)，因此能夠降低系統(tǒng)的故障點(diǎn)。而且這類本安模塊如SIMATIC S7-300系列的本安防爆式Ex I/O卡板SM322，SM321，SM331，SM332等，其防爆等級為Ex-ibIIC，可以掛接Ex.Zone1區(qū)內(nèi)的本安儀表。由于本安防爆卡板使用了集成安全柵技術(shù)，減少了隔離式和齊納式安全柵的使用，因此結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約了空間和費(fèi)用。
（3）從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案
即FISCO現(xiàn)場總線解決方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現(xiàn)場總線本質(zhì)安全防爆構(gòu)想模型簡稱FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線以本質(zhì)安全方式安裝使用在Ex-區(qū)成為可能，以經(jīng)濟(jì)簡便的方式解決了現(xiàn)場總線的防爆應(yīng)用問題。FISCO適用于Ex-iaIIC級別的本安防爆方式。PROFIBUS-PA總線既能實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊（31.25kbps），又可實(shí)現(xiàn)對所掛接現(xiàn)場總線儀表的本安供電。西門子PROFIBUS-PA總線防爆系統(tǒng)一般由DP/PA耦合器/鏈接器，本安配電鏈接模塊，T型總線接頭、PA總線電纜和本安現(xiàn)場總線儀表構(gòu)成。Bus to Bus方式的應(yīng)用特點(diǎn)是智能現(xiàn)場總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上，經(jīng)過上述產(chǎn)品，仍以現(xiàn)場總線方式接至控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)卡。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號鏈路用一條雙絞電纜即可構(gòu)成。
其特點(diǎn)是：直接用于危險(xiǎn)區(qū)域中的現(xiàn)場總線不僅節(jié)省了大量的布線成本，而且也節(jié)約了許多傳統(tǒng)方案中必須的I/O 信號的隔離柵、配電盤和分流器和大量信號電纜，同時(shí)節(jié)約了大量控制箱柜空間。此外，還可以省去防爆現(xiàn)場元件的機(jī)械保護(hù)裝置如雙層絕緣、附加金屬保護(hù)網(wǎng)等，以及在使用非本質(zhì)安全導(dǎo)線時(shí)所需要的防爆鋼管。
FISCO本質(zhì)安全現(xiàn)場總線（如PROFIBUS-PA）是最新的本安防爆接口技術(shù)。
(4)從點(diǎn)對點(diǎn)接線到總線(Point to Bus) 解決方案
即本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案，產(chǎn)品包括總線式隔離安全柵和本安型的分布式I/O模塊。其中極具代表性的是西門子ET200iSP系列本質(zhì)安全分布式I/O。見圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應(yīng)用在Ex.Zone 1區(qū)，通過點(diǎn)對點(diǎn)電纜連接至Ex.Zone 0區(qū)的本安儀表。
與從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案相比，其應(yīng)用特點(diǎn)是：現(xiàn)場儀表仍可以采用傳統(tǒng)4～20mA本安儀表，以點(diǎn)對點(diǎn)的接線方式接至分布式I/O，而分布式I/O向上則以經(jīng)本安鏈接器485/iS隔離后的PROFIBUS-DP/iS（1.5Mbps）總線方式接至控制系統(tǒng)通信總線或現(xiàn)場總線網(wǎng)卡。ET200iSP不僅具有安全柵功能，為現(xiàn)場回路提供本質(zhì)安全防爆，而且ET200iSP本身還具有很高的防爆安全等級，其I/O模塊、電源模塊和網(wǎng)關(guān)本身也采用本安防爆（ATEX II 2 G EEx ib IIC T4）。 因而ET200iSP可以直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，可對其所有電子模塊（包括電源模塊和總線連接模塊）進(jìn)行帶電熱插拔維護(hù)、操作。顯然，這種本安防爆解決方案中，現(xiàn)場儀表仍可使用傳統(tǒng)的4—20mA儀表。本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案是能兼顧FISCO現(xiàn)場總線方式和點(diǎn)對點(diǎn)方式兩類應(yīng)用方案優(yōu)點(diǎn)的一種中間方案，也是本文將詳細(xì)討論的方案?！?br />
除ET200iSP外，值得一提的是SIMATIC還有防爆ET200M分布式I/O方案可供用戶選擇。ET200M如果選用相應(yīng)的防爆結(jié)構(gòu)和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后，其本身就構(gòu)成無火花型防爆形式，可以直接安裝在危險(xiǎn)區(qū)。但ET200M本身的防爆級別要比ET200iSP低，只能安裝在增安型(Ex e)保護(hù)箱中，用于Ex.Zone 2區(qū)。ET200M的數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS-DP，最高速率可達(dá)12 Mbps，相比ET200iSP的1.5Mbps通訊速率要高。
(1)從點(diǎn)對點(diǎn)接線到點(diǎn)對點(diǎn)接線(Point to Point)解決方案
即傳統(tǒng)DCS/PLC+安全柵方案，見圖1所示。這類本安防爆接口以隔離式和齊納式安全柵為代表。應(yīng)用特點(diǎn)是本安防爆現(xiàn)場儀表以點(diǎn)對點(diǎn)的接線方式通過電纜接至安全區(qū)控制柜內(nèi)的安全柵，安全柵再以點(diǎn)對點(diǎn)的接線方式接至控制系統(tǒng)(DCS／PLC)的通用I/O卡。這是傳統(tǒng)的本安防爆接口技術(shù)。
(2)本安防爆I/O卡板解決方案
本安防爆I/O卡板解決方案是在DCS／PLC的通用I/O卡板基礎(chǔ)上增加本安電路，使之成為本安防爆卡板，可直接與現(xiàn)場兩線制本安儀表相連接，省卻安全柵環(huán)節(jié)，構(gòu)成本安防爆控制系統(tǒng)，見圖2所示。其本質(zhì)與DCS/PLC+安全柵方案相同，但是減少了安全柵環(huán)節(jié)，節(jié)省了線路連接點(diǎn)，因此能夠降低系統(tǒng)的故障點(diǎn)。而且這類本安模塊如SIMATIC S7-300系列的本安防爆式Ex I/O卡板SM322，SM321，SM331，SM332等，其防爆等級為Ex-ibIIC，可以掛接Ex.Zone1區(qū)內(nèi)的本安儀表。由于本安防爆卡板使用了集成安全柵技術(shù)，減少了隔離式和齊納式安全柵的使用，因此結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約了空間和費(fèi)用。
（3）從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案
即FISCO現(xiàn)場總線解決方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現(xiàn)場總線本質(zhì)安全防爆構(gòu)想模型簡稱FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線以本質(zhì)安全方式安裝使用在Ex-區(qū)成為可能，以經(jīng)濟(jì)簡便的方式解決了現(xiàn)場總線的防爆應(yīng)用問題。FISCO適用于Ex-iaIIC級別的本安防爆方式。PROFIBUS-PA總線既能實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊（31.25kbps），又可實(shí)現(xiàn)對所掛接現(xiàn)場總線儀表的本安供電。西門子PROFIBUS-PA總線防爆系統(tǒng)一般由DP/PA耦合器/鏈接器，本安配電鏈接模塊，T型總線接頭、PA總線電纜和本安現(xiàn)場總線儀表構(gòu)成。Bus to Bus方式的應(yīng)用特點(diǎn)是智能現(xiàn)場總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上，經(jīng)過上述產(chǎn)品，仍以現(xiàn)場總線方式接至控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)卡。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號鏈路用一條雙絞電纜即可構(gòu)成。
其特點(diǎn)是：直接用于危險(xiǎn)區(qū)域中的現(xiàn)場總線不僅節(jié)省了大量的布線成本，而且也節(jié)約了許多傳統(tǒng)方案中必須的I/O 信號的隔離柵、配電盤和分流器和大量信號電纜，同時(shí)節(jié)約了大量控制箱柜空間。此外，還可以省去防爆現(xiàn)場元件的機(jī)械保護(hù)裝置如雙層絕緣、附加金屬保護(hù)網(wǎng)等，以及在使用非本質(zhì)安全導(dǎo)線時(shí)所需要的防爆鋼管。
FISCO本質(zhì)安全現(xiàn)場總線（如PROFIBUS-PA）是最新的本安防爆接口技術(shù)。
(4)從點(diǎn)對點(diǎn)接線到總線(Point to Bus) 解決方案
即本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案，產(chǎn)品包括總線式隔離安全柵和本安型的分布式I/O模塊。其中極具代表性的是西門子ET200iSP系列本質(zhì)安全分布式I/O。見圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應(yīng)用在Ex.Zone 1區(qū)，通過點(diǎn)對點(diǎn)電纜連接至Ex.Zone 0區(qū)的本安儀表。
與從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案相比，其應(yīng)用特點(diǎn)是：現(xiàn)場儀表仍可以采用傳統(tǒng)4～20mA本安儀表，以點(diǎn)對點(diǎn)的接線方式接至分布式I/O，而分布式I/O向上則以經(jīng)本安鏈接器485/iS隔離后的PROFIBUS-DP/iS（1.5Mbps）總線方式接至控制系統(tǒng)通信總線或現(xiàn)場總線網(wǎng)卡。ET200iSP不僅具有安全柵功能，為現(xiàn)場回路提供本質(zhì)安全防爆，而且ET200iSP本身還具有很高的防爆安全等級，其I/O模塊、電源模塊和網(wǎng)關(guān)本身也采用本安防爆（ATEX II 2 G EEx ib IIC T4）。 因而ET200iSP可以直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，可對其所有電子模塊（包括電源模塊和總線連接模塊）進(jìn)行帶電熱插拔維護(hù)、操作。顯然，這種本安防爆解決方案中，現(xiàn)場儀表仍可使用傳統(tǒng)的4—20mA儀表。本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案是能兼顧FISCO現(xiàn)場總線方式和點(diǎn)對點(diǎn)方式兩類應(yīng)用方案優(yōu)點(diǎn)的一種中間方案，也是本文將詳細(xì)討論的方案?！?br />
除ET200iSP外，值得一提的是SIMATIC還有防爆ET200M分布式I/O方案可供用戶選擇。ET200M如果選用相應(yīng)的防爆結(jié)構(gòu)和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后，其本身就構(gòu)成無火花型防爆形式，可以直接安裝在危險(xiǎn)區(qū)。但ET200M本身的防爆級別要比ET200iSP低，只能安裝在增安型(Ex e)保護(hù)箱中，用于Ex.Zone 2區(qū)。ET200M的數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS-DP，最高速率可達(dá)12 Mbps，相比ET200iSP的1.5Mbps通訊速率要高。