本安型信号转换器(什么是安全栅？有哪些种类？)

Posted 2023-05-29

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本安型信号转换器(什么是安全栅？有哪些种类？)

导读

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。

仪表安全原理与本质安全技术

仪表安全原理

Instrument Safety Principle

当易爆物质、氧气、引爆源这三种情况同时出现时，就会引起爆炸。如果我们能消除任意一个爆炸形成的条件，就能保障现场仪表设备的安全。空气中的氧气无法控制，因此控制易爆物质和控制引爆源是目前较为常用的安全原理。在仪表行业，控制爆炸范围也被列为常用的安全原理。安全栅能够限制现场仪表的电能量，使其无法产生能够引爆的火花和引爆的仪表表面温度。本质安全技术能够消除隐患，保证现场的安全。

危险区域危险性的分类、分级、分组

TITLE CONTENT

爆炸性气体分类见下表。

危险气体场所划分为3个不同的区域，见下表。

爆炸性气体的温度组别见下表。

安全栅的作用

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。

安全栅的种类

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。

齐纳式安全栅原理图

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。

隔离式安全栅原理图

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采取三方隔离方式，不需使用隔离式仪表；

②降低危险区的仪表要求，现场不需使用隔离式仪表；

③运行过程中稳定性和抗干扰能力大大增强，使整个系统的可靠性大幅提高；

④有强大的信号处理能力，可以接受并处理多种信号，例如热电偶、热电阻、频率等信号；

⑤为同一信号源的两台设备提供两路相互隔离的信号，并且两设备信号无干扰，同时所连接设备互相之间的电气安全绝缘性能也有所提高。

1.齐纳式安全栅

齐纳式安全栅的核心元件为齐纳二极管，限流电阻及快速熔断丝。它的原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围，其原因如下：

（1）安装位置必须有非常可靠的接地系统，并且该齐纳式安全栅的接地电阻必须小于1Ω，否则便失去防爆安全保护性能，显然这样的要求是十分苛刻并在实际工程应用中难以保证。

（2）齐纳式安全栅对电源影响较大，同时也易因电源的波动而造成齐纳式安全栅的损坏。

齐纳管用于限制电压。与齐纳安全栅相比，隔离式安全栅除具有限压与限流作用之外，还带有电流隔离的功能。

2.隔离式安全栅

隔离式安全栅主要由回路限能单元，信号和电源隔离单元、信号处理单元组成。它不但有限能的功能，还有隔离功能，隔离式安全栅，基本有检测端安全栅和操作端安全栅两种类型。

检测端安全栅与两线制变送器配套使用；由于隔离式安全栅采用了限压、限流、隔离等措施，不仅能防止危险能量从本安端子进入危险现场，提高系统的本安防爆性能，而且还增加了系统的抗干扰能力，大大提高了系统运行的可靠性。24VDC 电源经DC-AC-DC变换后，输出模块电路所需要的多种电压。

（1）检测端隔离式安全栅的原理

模块电路将通过本安能量限制电路输入的电流或电压信号转变为0.2-1VDC后，送入模块内进行采集、放大、运算和进行抗干扰处理后，再经变压器调制成输出隔离的电流和电压信号，供后面的二次仪表或其它仪表使用。模块还需输出一个隔离的18.5∽28.5VDC电压，通过本安能量限制电路做为供给两线制变送器的工作电压。本安能量限制电路能限制大电流或高电压的危险信号窜入危险现场。

（2）操作端隔离式安全栅的原理

将调节器或操作器输出的4-20mA DC信号隔离后再输出4-20mA DC 的信号，通过本安能量限制电路供给电气转换器或现场的电气阀门定位器使用。

3.底板式安全栅

底板式安全栅，是在导轨式安全栅基础上，针对大系统的装配、维护难点而设计的，是安全栅结构形式的变革。底板式安全栅在结构上实现了快速装拆设计，通过专用的集成底板对安全栅进行供电，与控制系统连接的内部信号通过集成插接器件，使用预制电缆进行信号传递，实现了盘间连线的快速连接，大幅度提高了系统安全性能。2019年新大新科技推出第二代安全栅底板，在国内外率先配置了检测专用接口，大大提高了系统运行的可维修性和连续性。

新大新科技致力于推动国内安全栅行业的整合，推进中国安全栅结构标准化工作，我们可提供全系列的客户化定制底板，支持市面上所有DCS和PLC系统，也是国内DCS主流品牌唯一的配套底板供应商，有多年的大项目运行业绩。

4.选择底板式安全栅的应用优点

1、检查信号过程无需拆线，避免误拆、误触、误接避免维修引发生产事故。

2、解决一体化省配线产品检测难题，快速排除故障，提升检修效率。

3、支持AI AO DI DO 各种类型，支持安全栅、隔离器、继电器、直连四大传输模式，支持主流品牌DCS PLC 控制系统，支持主流品牌安全栅隔离器互换。

5.选择隔离式安全栅的应用优点

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选择隔离式安全栅。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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、合理和有效性。

（6）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。

（7）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。

6.安全栅常见故障的处理方法

1.电源指示灯不亮或液晶不显示

（1）检查仪表供电电源接入是否正确可靠。

（2）检查供电电压是否正常。

（3）检查24V电源正负是否接反。

2.输出无信号

（1）输入信号是否已正确接入输入端子。

（2）输入信号类型是否与仪表输入类型一致。

（3）输出接线端子是否紧固。

（4）可拆卸的外部接线端子是否插接到位。

（5）外部输出回路开路。

3.输出值偏差大

（1）热电偶输入时正、负引线是否接反。

（2）热电阻输入时三线接法是否正确。

（3）输出接线的正、负极性是否接反。

（4）电流输出时，外接负载电阻总和是否大于规定的欧姆（4-20mA输出时）。

（5）电压输出时，外接负载电阻是否小于500千欧姆。

（6）电源电压过低。

4.输出信号不稳定

（1）检查接线是否牢固。

（2）检查输入信号是否稳定。

（3）检查输出回路接线是否可靠。

（4）检查仪表周围环境是否有大功率的电磁设备。

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。

安全栅在石油化工生产技术应用中的注意要点

从目前来看，本安系统已被当作设计标准，为各个领域所应用。在生产中，安全栅选型要符合现场需求，在使用过程中还要注意以下问题，这样才能达到预期效果。

01、关于防爆

安全栅需要满足现场所需的防爆等级要求，确保电缆及现场设备的蓄能，以保障电缆和现场设备的容抗和感抗功能。

02、关于接地

齐纳安全栅安装时，需要有非常可靠的接地系统，并且其接地电阻必须小于1欧姆。

03、关于仪表

根据现场仪表信号类型选择适合的安全栅。

04、关于电缆

本安系统设备需要使用本安电缆，在电缆敷设时本安电缆应与非本安电缆分开敷设。并且要做标识牌。