陈洪光-安全栅在成型控制系统改造中的应用

1、P+F安全栅在成型车间控制系统改造中的应用内容摘要：本文首先介绍了安全栅的在本安控制系统中的作用及其形式、结构、分类，并对橡胶厂成型车间DCS控制系统改造中所用到的隔离式安全栅的种类、形式、作用和应用分别进行了阐述，并且简单叙述了安全栅选用、安装、调试时的一些注意事项。关键字：安全栅 本质安全系统 关联设备 应用1. 前言安全栅是一种安装在安全场所的本质安全型防爆仪表的关联设备，（术语：关联设备一种安装在安全场所、本安电气设备与非本安电气设备之间的相连的电气设备），当本安防爆系统的本安仪表发生故障时，用安全栅把危险场所和非危险场所的电路分隔开，限制由非危险场所传递到危险场所的能量，从而确保现场

2、设备、人员和生产的安全。2. 安全栅知识介绍2.1 本安型安全栅本安型安全栅应用在本安防爆系统的设计中，它是安装于安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置，电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，是本安系统的重要组成部分。安全栅安装于安全场所，接收来自危险区的信号,输出安全信号到安全区或危险区。如图1所示：图1 安全栅是连接现场设备和系统的中间设备由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口，因此无论控制室设备处于正常或故障状态，安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。2.2 安全栅的结构形式 常见的安

3、全栅结构形式分为二大类：一类为齐纳式安全栅，它是通过快速熔断丝和限压、限流电路实现能量限制作用，使用在本安防爆系统中，不论现场本安仪表发生任何故障，都保证传输到现场(危险区)的能量处于一个安全值内（不会点燃规定的分级、分组爆炸性气体的混合物),从而保证生产现场的安全。另一类是隔离式安全栅，它是本安回路与非本安回路之间通过光、电、电磁等隔离技术，实现电源、信号输入、信号输出的隔离，由于信号完全浮空，增强了信号的抗干扰能力，提高了自动控制系统的运行可靠性。隔离式安全栅一般也在本安端也加类似于齐纳式安全栅的快速熔断丝和限流、限压电路实现能量的限制，确保本安防爆系统的安全。2.2.1 齐纳式安全栅齐纳

4、安全栅原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身对接地要求很高，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连线必须小于1，否则便失去防爆安全保护性能。2、自身的构造和工作要求，使得齐纳栅工作时不稳定，常出现莫名其妙的波动，影响系统稳定性。3、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。2.2.2 隔离式安全栅隔离式安全栅与齐纳式安全相比，虽然价格略高，但其它方面的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：1.由于采用了三方隔离方式，因此无需设置专用接地线路，给设计及现场施工带

5、来极大方便；可以采用导轨集中供电，可节省安全栅逐个配电的工作，减少故障率、节省线缆。2.由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。3. 用手持终端与安全栅进行HART通信，可根据工艺生产要求设置异常状态、故障状态时安全栅的输出，减少仪表回路误动作，提高了报警联锁回路的可靠性和可用性。4.隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。 因此，通过对比齐纳式和隔离式安全栅的特点和性能后可以看出，隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛用途，从设计、施工安装、调试及维护成本来考虑

6、，其综合成特要低于齐纳式安全栅。特别是在要求较高的工程现场，都采用可靠性更高的隔离式安全栅构成本安回路，隔离式安全栅已逐渐取代了齐纳式安全栅，在安全防爆领域得到了日益广泛的应用。3. 隔离式安全栅的应用隔离式安全栅比齐纳式安全栅从各方面看都更具优势，所以在这次成型车间DCS控制系统的改造中选用了P+F公司生产的隔离式安全栅。由于在DCS改造之前已将现场的温度一次元件加装了罗斯蒙特的248温度变送器，所以此次改造没有使用RTD安全栅，主要用到了以下几种安全栅：1、模拟量输入 KFD2-STC4-EX1； 2、模拟量输出 KFD2-SCD-EX1.LK；3、开关量输出KFD2-SD2-EX2；4、

7、开关量输入KFD2-SR2-EX2.W下面将对这4种安全栅进行重点的阐述。3.1模拟量输入 KFD2-STC4-EX1 3.1.1主要技术参数单通道，允许安装在危险区防爆等级EEXiaIIC,U0=24.5V电磁兼容性符合NAMUR NE 21输出隔离，24VDC供电输入：0/4-20Ma；输出：0/4-20Ma其结构框图 ，如下图2：图2通过框图可以看到1、2、3端接现场侧，7、8端为安全侧，14、15端为电源供电端子。3.1.2主要功能和应用1、为智能变送器配电，可以为2/3制变送器配电，并能传递模拟信号到安全侧；2、将电流源传递到安全侧，也就是4线制变送器，只传递其信号；3、叠加在模拟信

8、号上的数字通讯允许双向传输，可用手持终端与安全栅进行HART通信组态。对不同变送器接线形式不同，其示意图如下： 图3 三线制变送器 两线制变送器 电流源这次改造中，主要用到了后两种接线形式，分别举个实例：图4 两线制 EJA差压流量变送器 安全栅 计算机卡件图5 四线制， 质量流量计 安全栅 计算机卡件3.2模拟量输出 KFD2-SCD-EX1.LK 3.2.1主要技术参数单通道允许安装在危险区ZONE2防爆等级EEXiaIIC短路及断路检测HART信号传递（电气隔离）电磁兼容性符合NAMUR NE 21其结构框图6，如下：图6通过框图可以看到1、2端接现场侧，7、8端为安全侧，11、12端为

9、导轨供电端子。3.2.2主要功能和应用1、将4-20mA电流从安全区传到危险区；2、智能数字信号叠加在安全区和危险区的模拟信号上；3、HART信号允许安全区和危险区双向传输；4、线路监测、报警功能：正常状态下负载电阻：100-700；线路短路：安全侧输入电阻小于50；线路开路：当ION=20mA时，安全侧输入阻抗大于2000；当负载电阻大于700时，电流信号无法传输；当线路断路时，输入阻抗大于100K,电流降到1mA以下，红色故障指示灯LED闪烁。这种类型安全栅主要时给现场阀门定位器和电气转换器传输信号，下面举一个实例：图7另外，由于输出安全栅有线路监测功能，当输出侧发生故障，如：线路断路、短

10、路，或者阀门定位器、电气转换器发生故障时，面板上用于监测的红灯会自动闪烁，可以帮助我们更方便快捷的处理问题。3.开关量输出 KFD2-SD2-EX23.3.1主要技术参数双通道，通道故障报警防爆等级EEXiaIIC根据IEC61508，安全等级可达SIL3其结构框图，如下： 图8图9通过框图可以看到1、2、3一组，4、5、6一组，接现场侧的电磁阀，7、8、9端接安全侧控制信号。3.3.2主要功能和应用1、输入和输出之间完全隔离，输出电压、电流可根据负载变化而变化2、端子7和8或8和9 之间的电压通过DC/DC转换器传送，输出端开路电压约为25VDC,最大电流可达72mA3、可对重要联锁输入/输

11、出回路构成冗余配置，增加安全度4、具有线路监测、报警功能，短路、断路时红色故障指示灯LED闪烁。5、应用：成型车间有3条干燥箱生产线，使用0.9MPa蒸汽干燥胶粒，胶粒厚度不均匀、机械挤压、干燥温度过高等原因都会造成干燥箱内胶粒发生冒烟、燃烧，这时就要求消防蒸汽阀或消防水阀必须及时开启灭火，改造中我们使用了KFD2-SD2-EX2隔离安全栅，对气动线路和控制电磁阀进行了技术改造，构成了冗余回路，大大提高了安全度，装置短停消缺时的几次空投实验，情况良好。配置如图9。3.4开关量输入 KFD2-SR2-EX2.W3.4.1主要技术参数双通道，通道故障报警防爆等级EEXiaIIC每个通道1路信号传输

12、短路及断路检测根据IEC61508，安全等级可达SIL2其结构框图，如下图10。图10图11通过框图可以看到1、2、3为一组，4、5、6为一组，接现场侧的状态信号，7、8、9为一组，10、11、12为一组，接反馈信号进安全侧控制柜DI输入卡。3.4.2主要功能和应用1、安全栅接收来自危险区的开关信号（符合EN60947-5-6）标准的NAMUR信号或机械触点信号。2、输入端、输出端及电源之间相互隔离并符合EN50020，3、端子7和8或8和9 之间的电压通过DC/DC转换器传送，输出端开路电压约为25VDC,最大电流可达72mA；此型隔离式安全栅正面有3个拨码开关，设置输入/输出的开、闭反向、

13、故障报警等功能，投用前应检查设置是否正确。4、可对重要联锁输入/输出回路构成冗余配置，增加安全度5、具有线路监测、报警功能，短路、断路时红色故障指示灯LED闪烁。6、应用：成型车间的三条干燥箱顶部各有一根大口径烟道，升温干燥过程中产生的尾气由此引至高空排放，如出现火灾、燃烧情况，离干燥箱顶部5米多高处安装一台大口径蝶阀必须及时关闭，防止产生风筒效应并隔绝空气进入干燥室燃烧部位，协助灭火。改造前由于大口径蝶阀安装在高处，检查维护都属于高处作业，而且大阀处于高温、高湿、异味环境运行，故障率很高，检维修很困难，发生过因烟道大阀关闭不严造成火势加重蔓延的情况，为消除此隐，改造时现场选用美国邦纳的光电位

14、置传感器，柜内配套KFD2-SR2-EX2.W型安全栅隔离后送控制柜，可输出短路、断路报警，开、关不到位报警，双路失谐报警，仪修人员可根据报警类型先进行判断再有针对性的维护，大大减少了工作量和工作强度，提高了维护质量，投用以来，运行良好。应用如图11。3、5安全栅的选用、安装、调试安全栅是介于现场设备与控制室设备之间的一个限能电路，用来把控制室供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆危险气体的火花，又不能产生足以引爆危险气体的仪表表面温度，从而消除了引爆源。在选择安全栅时首先考虑其型号与现场仪表类型相适应，其次是根据工艺过程要求和仪表使用工况，合理配置；第三是要考虑安全栅与本质安全仪表要求

15、相兼容及形成的本安系统中阻抗匹配的问题。我单位DCS改造所选安全栅的安装场所，环境条件能满足通用技术指标中的“使用条件”的要求。安全栅柜内采用标准导轨 (35mm)安装方式, 标准导轨的长度按安全栅个数选取，双路电源，首尾相配，构成环形供电；隔离式安全栅本安端（蓝色标记）和非本安端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。通往危险场所的导线应选用有蓝色标记的本安导线，导线的软铜面积必须大于0.5mm2，绝缘强度应大于500V。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。P+F隔离栅的接线采用快速可拔插接线端子，输入端与输出端用红色防错插胶条组成不同形状插槽，调试过程应注意不要随意修改插槽形状或丢失防错插胶条。确认系统调试成功后，再把安全栅的外部