本安传输接口(安全栅的介绍及安装使用原则)

Posted 2023-05-29

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本安传输接口(安全栅的介绍及安装使用原则)

近几年来，随着中国炼化一体化进程的推进，石油炼化厂、化工厂越来越多。由于石油及其相关产品大多具有易燃易爆特性，所以一定要使用安全、有利的防爆方法，以确保安全。安全栅作为本安电气设备与非本安电气设备之间连接的电气设备，能够有效地提高石油化工企业生产过程中的安全性。

01安全栅的定义及主要功能

安全栅又称安全保持器。本安回路的安全接口，它能在安全区（本质安全）和危险区（非本质安全）之间双向传递电信号，并可限制因故障引起的安全区向危险区的能量转递。

本质安全（IS）是仪表系统采用的防爆技术，安全栅设置在安全区域的控制室设备与危险区域的本安设备之间，传输信号或能量。安全栅利用电路限流限压，从而约束安全区域传递能量给危险区域设备。处于危险场所的本安设备在这样的能量下能够正常工作，但这样的能量不足以引燃爆炸环境，即使本安设备自身发生故障，也不会产生任何足以引燃的电火花或发热表面。因此，无论是安全场所的控制室设备还是危险场所的本安设备发生故障，只要安全栅的限流限压电路正常工作，整个系统都会处于安全状态，不会产生爆炸。

02安全栅的种类和原理

本质安全（IS）是仪表系统采用的防爆技术，安全栅设置在安全区域的控制室设备与危险区域的本安设备之间，传输信号或能量。安全栅利用电路限流限压，从而约束安全区域传递能量给危险区域设备。

处于危险场所的本安设备在这样的能量下能够正常工作，但这样的能量不足以引燃爆炸环境，即使本安设备自身发生故障，也不会产生任何足以引燃的电火花或发热表面。因此，无论是安全场所的控制室设备还是危险场所的本安设备发生故障，只要安全栅的限流限压电路正常工作，整个系统都会处于安全状态，不会产生爆炸。

安全栅分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两类。

齐纳式安全栅

齐纳式安全栅的主要功能就是限制安全场所的危险能力进入危险场所，及限制送往危险场所的电压和电流。

齐纳管Z用于限制电压。当回路电压接近安全限压值时，齐纳管导通，使齐纳管两端的电压始终保持在安全限值以下。电阻R用于限制电流。当电压被限制后，适当选择电阻值，可将回路电流限制在安全限流值以下。

保险丝F的作用是防止因齐纳管被长时间流过的大电流烧断而导致回路限压失效。当超过安全限压值的电压加在回路上时，齐纳管导通，如果没有保险丝，流经齐纳管的电流将无限上升，最终烧断齐纳管，使回路失去限压。为确保回路限压安全，保险丝的熔断速度要比齐纳管可能被烧断的速度快十倍。

齐纳式安全栅是最早出现的安全栅。它的核心元件是齐纳二极管，限流电阻及快速熔断丝，原理图如下图所示。

齐纳管电流简单，在现场使用时容易出现系统电源波动、干扰，导致设备损坏，并且由于其需要本安接地，因此在实际应用中较少。

隔离式安全栅

隔离式安全栅与齐纳安全栅相比，隔离式安全栅除具有限压与限流的作用外，还带有电流隔离的功能。隔离栅通常由回路限能单元、电流隔离单元和信号处理单元三部分组成。回路限能单元为安全栅的核心部分。此外，辅助有用于驱动现场仪表的回路供电电路和用于仪表信号采集的检测电路。信号处理单元根据安全栅的功能要求进行信号处理。

隔离式安全栅不仅能够限压限流，还能电流隔离。隔离室安全栅主要由限能单元、信号及电源隔离单元、信号处理单元组成，基本功能电路如下图所示。

比较

与齐纳式安全栅相比，隔离式安全栅在性能上大大优于齐纳式安全栅：

① 隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比，虽然价格要高一些，但是它许多优点和特点还是给用户带来许多方便，使越来越多用户偏向的选择隔离式安全栅。

②使用隔离式安全栅，可以将危险区的现场回路信号和安全区回路信号有效隔离。这样本安自控系统不需要本安接地系统，简化了本安防爆系统应用时的施工。

③ 使用隔离式安全栅，大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力，提高系统可靠性。

④使用隔离式安全栅，允许现场仪表接地，允许现场仪表为非隔离型的。

⑤ 隔离式安全栅有许多保护功能电路，意外损坏的可能性较小，允许现场仪表带电检修，这样可缩短工程开车准备时间和减少停车时间。

⑥隔离式安全栅有较强的信号处理能力。如开关量输入状态控制、mV、Pt100变为4～20mA等等。这样给现场仪表和控制系统的应用提供了更大的方便、合理和有效。

⑦ 当用户同时应用DCS和ESD时，选用一进二出的安全栅，可以有效地将两个系统隔离开来，避免系统之间互相影响。

⑧回路供电隔离式安全栅既保持有源隔离式安全栅的优点，又有齐纳式安全栅一样的接线方便，不需要另外24V电源供电，特别适合配I/O卡直接供电的DCS系统。

03安全栅在仪表中的应用

在石油化工生产过程中，需要利用现场仪表对压力、温度、流量、液位等方面的进行监测，以此保障生产能够正常顺利地进行。安全栅作为仪表控制系统的安全保持器，它需要接收并处理来自危险区的信号，并传送给安全区或危险区处理后的安全信号。尽管现场仪表信号类型各不相同，但是从整体而言，基本上可以分为两种：输入安全栅和输出安全栅。输入安全栅主要根据标准4~20mA信号/1~5V信号、热电阻和热电偶信号、开关量信号、通信信号、交流信号和其他非标准信号等几种类型信号进行设计；输出型安全栅主要根据标准 4~20mA信号/1~5V信号、开关量输出信号、通信信号等几种类型信号进行设计。

在生产设计中，模拟量输入安全栅和模拟量输出安全栅被广大设计人员接受并运用在工程中。模拟量输入安全栅通常与2线制、3线制变送器或4~20mA信号结合使用，模拟量输出安全栅通常与调节阀结合使用。隔离式安全栅的运用，在很大程度上提高了仪表系统的稳定性。它把适合的电量提供给现场仪表阀门，同时又把由仪表阀门输出的4~20mA DC电流信号隔离转换成DC电流信号或DC电压信号后输出，提供给仪表阀门。

04安全栅本安性能认证参数

最高电压（Um）

可施加到关联设备非限能连接装置上，而不会使其防爆型式失效的最高电压（交流有效值或直流电压值）。

最高输入电压（Ui）

施加到本质安全电路连接装置上,而不会使本质安全性能失效的最高电压（交流峰值或直流）。

最高输出电压（Uo）

开路条件下，在设备连接装置施加电压达到最高电压（包括Um和Ui）时，可能出现的本质安全电路的最高输出电压（交流峰值或直流）。

最大输入电流（Ii）

施加到本质安全电路连接装置上，而不会使本质安全性能失效的最大电流（交流峰值或直流）。

最大输出电流（Io）

来自电气设备连接装置的本质安全电路的最大电流(交流峰值或直流)。

最大输入功率（Pi）

当电气设备与外电源连接不使本质安全性能失效时，可能在电气设备内部消耗的本质安全电路的最大输入功率。

最大输出功率（Po）

能从电气设备获得的本质安全电路的最大输出功率。

最大内部电容（Ci）

通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电容。

最大外部电容（Co）

可以连接到电气设备连接装置上，而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电容。

最大内部电感（Li）

通过电气设备连接装置出现的电气设备总等效内电感。

最大外部电感（Lo）

可以连接到电气设备连接装置上，而不会使本质安全性能失效的本质安全电路的最大电感。

电缆最大允许分布电容

关联设备允许的最大外部电容（Co）与本安设备最大内部电容（Ci）之差。

电缆最大允许分布电感（Lc）

关联设备允许的最大外部电感（Lo）与本安设备最大内部电感（Li）之差。

最大外部电感电阻比（Lo/Ro）

可以连接到电气设备连接装置上，而不会使本质安全性能失效的外电路的电感与电阻之比。

配电电压

为本质安全设备（如二线制变送器等）提供电源的电压值。

05本质安全认证技术

本安系统有两种认证方法：回路认证和参量认证。回路认证除了对本安仪表、关联设备（安全栅）、本安电缆分别认证外，还对本安设备和关联设备按特定组合进行认证。这种组合方式一经认证，其本安设备和关联设备（安全栅）就不能用未经检验机构认证过的其它型号规格的设备替代。国际上大多数工业发达国家均采用“参量认证”的方式，即对关联设备与现场设备分别给出一组安全参数，并可由用户自由地将不同生产厂商的电气设备进行组合，从安全性角度出发只需满足如下关系：

06安全栅的选用原则

a) 根据危险场所的类型及现场的防爆要求，确定所需要安全栅的防爆等级。安全栅的防爆等级必须不低于本安现场设备的防爆标志等级；

b) 根据现场的设备类型配备相应类型的安全栅；

c) 根据控制室仪表可能存在或产生的最高电压，确定安全栅最高电压；

d) 根据现场设备的信号、电源对地的极性，确定安全栅的极性；安全栅要与本安现场仪表的安全极性及信号传输方式相匹配。

e) 考虑安全栅端电阻压降的影响，确定安全栅的最大短路电流及系统能否正常工作；

f) 安全栅允许的分布参数是否合乎要求。

07连接电缆的选择原则

连接电缆存在分布电容和分布电感，使连接电缆成为储能元件。它的本安性能的基本参数如下：

电缆最大允许分布电容 CC＝CP×L

电缆最大允许分布电感 LC＝LP×L

式中：

CP ——电缆单位长度的分布电容(μF/km)

LP ——电缆单位长度的分布电感(mH/km)；

L ——实际配线长(km)。

注：推荐符合本质安全性能的电缆最大参数值：

CP＝0.2μF/km，LP＝1mH/km。

08隔离式安全栅的安装

色标：

白色端（非本安侧）接线通往安全区。

蓝色端（本安侧）接线通往危险区。

安装中的注意事项：

1、安全栅应安装在安全场所，且环境条件能满足本选型手册中的“环境条件”的要求（选型手册可至网站“服务——下载中心”获取）。

2、隔离式安全栅本安端（蓝色标记）和非本安端（白色标记）电路的接线导线在汇线槽中应分开铺设，各自采用独立的保护套管。本安侧的配线套管内不允许有其它电源线，包括其本安电路使用的电源线。

3、通往危险场所的导线应选用有蓝色标记的本安导线，导线中的铜截面积必须不小于0.5mm2，绝缘强度应大于500V。

4、在对隔离式安全栅进行通电调试前，必须注意隔离式安全栅的型号、接线方法、线路极性等，是否符合设计及产品要求中的规定，否则可能对人身及设备造成伤害。

5、严禁用兆欧表直接测试隔离安全栅端子之间的绝缘强度。如要检查系统的绝缘强度，应先断开全部的接线，否则可能引起安全栅内部电路损坏。

6、在现场对安全栅进行编程前，必须先将所有接线断开再接入编程器，然后通电编程，否则可能引起不良后果。

7、与隔离式安全栅相连的现场仪表，均应通过经国家认定的防爆检验部门的防爆试验，并取CCC认证的仪表。

8、在设计、安装、使用、维护隔离式安全栅时，应同时遵守本产品手册中的说明及《GB3836.13-2021》、《GB3836.14-2014》、《GB3836.15-2017》、《GB50058-2014》等标准。

设备温度等级规定了设备表面的最高允许温度值。设备温度等级一定要小于使用在该危险场所环境中可燃物质的点燃温度，否则会引起燃烧爆炸。