服務(wù)熱線
4006-598-119

引言
在石化、油氣、化工等存在易燃易爆氣體或粉塵的工業(yè)場(chǎng)所,報(bào)警、指示和聯(lián)鎖系統(tǒng)必須滿足防爆及本質(zhì)安全要求。總線隔離安全柵作為現(xiàn)場(chǎng)總線或模擬回路中的二維保護(hù)單元,承擔(dān)著將現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全回路與安全柵/安全儀表系統(tǒng)隔離并提供受限制能量的功能,從而在保障系統(tǒng)通信正常的同時(shí),保證即便在主供電或故障狀態(tài)下,傳輸?shù)轿kU(xiǎn)區(qū)的電能不足以引起點(diǎn)燃。
為確?;卮饑?yán)謹(jǐn),需明確幾個(gè)前提條件:具體“海灣”的型號(hào)(廠商的具體產(chǎn)品型譜)、回路類型、防爆聲光的電氣特性(工作電壓、電流、功率或是否需獨(dú)立電源)、安裝方式及是否采用額外的隔離/放大單元等。下文將以常見的4–20 mA/兩線制回路與本安總線隔離安全柵場(chǎng)景為主進(jìn)行說明,并對(duì)其它場(chǎng)景給出擴(kuò)展分析與計(jì)算方法。
總線隔離安全柵的基本原理與關(guān)鍵參數(shù)
2.1 功能概述
總線隔離安全柵(簡(jiǎn)稱安全柵)通常用于將危險(xiǎn)區(qū)回路與安全區(qū)控制系統(tǒng)隔離,限制可向危險(xiǎn)區(qū)提供的電壓與電流,從而達(dá)到本質(zhì)安全(intrinsically safe)的要求。其常見功能包括:
電氣隔離:阻斷高能側(cè)的直接電氣連接,防止故障時(shí)能量傳入危險(xiǎn)區(qū)。
限能供電:通過內(nèi)置限流、限壓或能量耗散元件,保證輸出側(cè)更大 電能受控。
信號(hào)傳輸:在滿足限能條件下,允許傳感器/執(zhí)行器信號(hào)(如4–20 mA)與控制系統(tǒng)通信。
回路保護(hù):短路檢測(cè)、過載保護(hù)等。
2.2 關(guān)鍵參數(shù)
決定可連設(shè)備數(shù)量的關(guān)鍵參數(shù)包括:
輸出回路的更大 電流(Imax)與更大 電壓(Vmax)。
輸出回路的更大 功率(Pmax)。
回路的內(nèi)阻或限流特性(影響分配到各并聯(lián)設(shè)備的電壓)。
電源(或總線)對(duì)分布式負(fù)載供電能力(例如總線電源的額定電流)。
隔離柵的通道數(shù)與每通道的額定負(fù)載能力。
防爆認(rèn)證與本安劃分(如Ex ia、Ex ib等),不同等級(jí)允許的能量有所差異。
環(huán)境與線路因素:回路長(zhǎng)度、電纜電阻、溫度對(duì)元件參數(shù)的影響。
防爆設(shè)備與防爆聲光的電氣特性
3.1 防爆設(shè)備種類
“防爆設(shè)備”泛指在危險(xiǎn)區(qū)使用并經(jīng)防爆認(rèn)證的各種設(shè)備,包括但不限于:
傳感器(壓力、溫度、液位等)——通常為二線制4–20 mA回路、或三線制供電。
執(zhí)行器(小型閥門定位器等)——可能需要更高起動(dòng)電流。
指示器與顯示器。
聲光報(bào)警器(防爆聲光)——通常為220 VAC/110 VAC/24 VDC供電,或內(nèi)置聲光組合的本質(zhì)安全型直流設(shè)備。
3.2 防爆聲光的典型電氣參數(shù)
防爆聲光裝置種類多樣,其電源需求差異很大:
220 VAC / 110 VAC 聲光:直接從交流電源供電,不適合由本安隔離柵直接驅(qū)動(dòng)。
24 VDC 聲光或本質(zhì)安全兩線/三線聲光:可能在允許的功率范圍內(nèi)由安全柵或受限電源供電,但通常功耗較高(幾十到幾百毫安不等,某些高分貝或閃光強(qiáng)度較大的裝置更高)。
本質(zhì)安全型(Ex ia)聲光:專為危險(xiǎn)區(qū)設(shè)計(jì),能在受限能量回路中工作,但其額定工作電流通常高于普通傳感器。
因此,在討論“最多可以帶多少個(gè)防爆聲光”時(shí),需知曉每一只聲光的額定電流/功率及其是否允許并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。
影響可接設(shè)備數(shù)量的工程因素與計(jì)算方法
4.1 以4–20 mA 兩線制回路為例
對(duì)于以兩線制4–20 mA回路供電且通過安全柵限能的傳感器網(wǎng)絡(luò),通常采用串聯(lián)回路(每個(gè)回路為單個(gè)傳感器),所以一個(gè)通道一般僅接一臺(tái)兩線制傳感器。并聯(lián)接入多個(gè)設(shè)備在4–20 mA測(cè)量回路中不可行且會(huì)破壞信號(hào)。因此兩線制傳感器場(chǎng)景中,“一個(gè)總線隔離安全柵通道帶多少個(gè)防爆設(shè)備”通常的工程答案是“每通道帶1臺(tái)兩線設(shè)備”;若要接多臺(tái),需要設(shè)計(jì)多通道或使用分線器/總線型本安隔離器并在滿足功率預(yù)算與認(rèn)證前提下服從廠商設(shè)計(jì)規(guī)則。
4.2 以總線/電源回路并聯(lián)供電的場(chǎng)景
在某些總線系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)分布式供電(例如某些本安總線、通信總線或24 Vdc 回路)中,多個(gè)設(shè)備可以并聯(lián)連接在同一回路上,此時(shí)可接設(shè)備數(shù)受以下約束:
總線電源的額定電流(Ibus)。
每臺(tái)設(shè)備的工作電流 Ii。
安全柵對(duì)回路總電流的額定限制(Imax)。
在本安規(guī)范下,任何并聯(lián)設(shè)備的累計(jì)能量仍需滿足點(diǎn)燃能量限制(通常通過功率/電流限制實(shí)現(xiàn))。
計(jì)算公式(簡(jiǎn)化):
可接設(shè)備數(shù) N ≤ min( floor(Ibus / Ii), floor(Imax / Ii) )
注意:若設(shè)備啟動(dòng)電流或沖擊電流高出常態(tài)電流,需以啟動(dòng)電流計(jì)算;此外,電纜壓降導(dǎo)致部分設(shè)備工作電壓下降,應(yīng)在設(shè)計(jì)中校核。
4.3 防爆聲光的特殊考慮
聲光裝置通常功率較大,閃光燈、蜂鳴器及驅(qū)動(dòng)電路在瞬時(shí)和持續(xù)功耗上均較高。若為24 V DC 恒壓并聯(lián)供電:
計(jì)算方法同上,N ≤ floor(Ibus / Idevice)
需考慮聲光在響報(bào)警時(shí)的峰值電流以及長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致的熱量、壽命問題。
對(duì)于由本安安全柵直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)景,若單個(gè)聲光設(shè)備工作電流就接近或超出安全柵Imax,則該通道只能驅(qū)動(dòng)一臺(tái)或根本無法驅(qū)動(dòng);對(duì)于需要并聯(lián)多臺(tái)的需求,通常采用如下工程解決方案:
使用外部隔離放大器或安全柵輸出模塊,提升供電能力(但必須保持符合本安認(rèn)證要求)。
在危險(xiǎn)區(qū)使用獨(dú)立本安電源或帶認(rèn)證的電氣隔離器為聲光供電,而控制信號(hào)仍由安全柵或本安開關(guān)觸發(fā)。
將聲光設(shè)備放在安全區(qū)或在防爆外殼中,使用本安信號(hào)驅(qū)動(dòng)中繼(如本安驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)隔爆/本安兼容的中間繼電器),由中繼去驅(qū)動(dòng)高能負(fù)載。
標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證要求
設(shè)計(jì)時(shí)必須參考并遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證要求,包括但不限于:
IEC 60079系列(爆炸性環(huán)境電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)),特別是IEC 60079-11(本質(zhì)安全“i”)以及IEC 60079-25(有關(guān)光纖或電子設(shè)備等)。
/地區(qū)現(xiàn)行規(guī)范與認(rèn)證(例如中國(guó)的GB標(biāo)準(zhǔn)、防爆合格證要求)。
設(shè)備制造商提供的Ex證書、技術(shù)規(guī)格書與接線指南。
任何在文檔或?qū)崪y(cè)之外的并聯(lián)或非標(biāo)準(zhǔn)接法,都需與設(shè)備制造商和認(rèn)證機(jī)構(gòu)確認(rèn),否則將導(dǎo)致安全與合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)務(wù)建議與典型配置示例
6.1 若為傳統(tǒng)兩線4–20 mA 傳感器回路
每通道通常驅(qū)動(dòng)1臺(tái)設(shè)備。若需更多,應(yīng)增加通道數(shù)量或采用多路安全柵模塊。
6.2 若為24 V DC 并聯(lián)供電的防爆聲光
確定每臺(tái)聲光的額定電流(例如:若每臺(tái)耗流200 mA,且安全柵/總線額定輸出為1 A,則理論最多并聯(lián)4臺(tái),但需核查峰值電流與熱性能)。
建議不要將聲光直接通過限能安全柵驅(qū)動(dòng),優(yōu)選使用認(rèn)證的本安驅(qū)動(dòng)電源或在安全區(qū)使用隔爆/本安中繼驅(qū)動(dòng)。
6.3 若使用數(shù)字總線
總線本身的功率預(yù)算(Power Supply)決定接入設(shè)備數(shù)量;安全柵按通道隔離信號(hào)但通常不直接提供高功率驅(qū)動(dòng)。設(shè)備數(shù)量需按總線供電能力、每節(jié)點(diǎn)功率以及總線段更大 節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算。
6.4 典型工程流程
收集所有設(shè)備的電氣規(guī)格與Ex證書。
確定所用安全柵的型號(hào)、Imax、Vmax、功率限值及通道數(shù)。
進(jìn)行功率/電流預(yù)算計(jì)算,并考慮電纜壓降與啟動(dòng)電流。
與設(shè)備制造商和安全柵廠家確認(rèn)并聯(lián)、驅(qū)動(dòng)和接線方案的合規(guī)性。
取得必要的文件與審批(包括電氣防爆審核、施工圖審查等)。