西門子SIMATIC系統(tǒng)在安全防爆場(chǎng)所的應(yīng)用
來(lái)源：卞家宏1，2 1華北制藥股份有限公司，2河北省石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 石家莊
摘要：本安防爆在過(guò)程控制系統(tǒng)工程中相對(duì)于其他防爆形式具有明顯的優(yōu)越性。西門子SIMATIC系統(tǒng)豐富的安全防爆產(chǎn)品可構(gòu)成滿足不同要求的本安防爆系統(tǒng)。本文就西門子的幾種本安防爆解決方案進(jìn)行了探討，并根據(jù)應(yīng)用實(shí)踐得出結(jié)論：西門子本安防爆分布式I/O方案綜合了傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)本安防爆和本安現(xiàn)場(chǎng)總線兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，既兼顧了傳統(tǒng)儀表的使用方式，又具有很強(qiáng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，適合我國(guó)目前儀表控制系統(tǒng)的應(yīng)用水平，具有非常大的發(fā)展應(yīng)用空間。
關(guān)鍵詞：本安防爆，安全防爆系統(tǒng)解決方案，本安防爆分布式I/O
The Application of SIEMENS SIMATIC System in Ex.Zone
Abstract:
The intrinsically safe bbbb has obviously advantage than other flameproof bbbbs in process control engineering. SIEMENS SIMATIC system has varied flameproof products for different request in hazardous areas. This paper discusses the several flameproof solutions, and according the appliance practice draws a conclusion: Siemens intrinsically safe distribution remote I/O solution includes the advantages of the traditional POINT to POINT solution and FIELDBUS solution, it fits the usage of the traditional meters ，It has higher technical and economy. It suits currently for the process automation level in China, and have wide application and development space.
Key Words: intrinsically safe, intrinsically safe system solution, intrinsically safe distribution remote I/O
1. 前言
化工生產(chǎn)過(guò)程中相當(dāng)大的一部分場(chǎng)所為具有爆炸危險(xiǎn)性氣體存在的危險(xiǎn)場(chǎng)所，自動(dòng)控制系統(tǒng)在這類場(chǎng)合下的應(yīng)用一定要遵從符合防爆安全技術(shù)規(guī)范。在爆炸危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)本質(zhì)安全防爆（Ex-i）方式是自控設(shè)計(jì)者經(jīng)常使用的方法，本安防爆在過(guò)程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工、工程造價(jià)以及可操作性和維護(hù)性等方面相對(duì)于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優(yōu)越性。
西門子的全集成一體化控制系統(tǒng)在危險(xiǎn)區(qū)的本安防爆應(yīng)用方式上具有很大的靈活性。具有大量安全防爆產(chǎn)品可供用戶設(shè)計(jì)成為滿足不同要求的本安防爆系統(tǒng)，極大的方便了用戶的選擇和應(yīng)用，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況和資金情況涉及建立最符合自己要求的防爆控制系統(tǒng)。
本文就西門子防爆系統(tǒng)的幾種應(yīng)用方式進(jìn)行了探討和總結(jié)，以求對(duì)防爆用戶的設(shè)計(jì)應(yīng)用有所幫助啟發(fā)。
2. 爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的劃分
在危險(xiǎn)場(chǎng)所中安全地使用爆炸性環(huán)境用電氣設(shè)備的前題條件是合理的選擇、正確的安裝和考慮系統(tǒng)日常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)必要的維護(hù)。因此應(yīng)根據(jù)其使用所在的危險(xiǎn)場(chǎng)所的性質(zhì)來(lái)合理的選擇防爆電氣設(shè)備。
危險(xiǎn)場(chǎng)所就是由于存在著易燃易爆性氣體、蒸氣、液體、可燃性粉塵或者可燃性纖維而具有引起火災(zāi)或者爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所。典型的危險(xiǎn)場(chǎng)所，如石油化工行業(yè)中爆炸性物質(zhì)的生產(chǎn)、加工和貯存過(guò)程中所形成的環(huán)境。對(duì)爆炸性氣體環(huán)境，按場(chǎng)所中危險(xiǎn)物質(zhì)存在時(shí)間的長(zhǎng)短，將爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域劃分為三個(gè)區(qū)，即分為Ex.Zone0區(qū)、Ex.Zone1區(qū)和Ex.Zone2區(qū)。
Ex.Zone0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長(zhǎng)期出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
Ex.Zone1區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
Ex.Zone2區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
在工程實(shí)踐中，Ex.Zone0區(qū)一般只存在于密閉的容器、貯罐等內(nèi)部氣體空間，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中Ex.Zone1區(qū)也很少存在，大多數(shù)情況屬于Ex.Zone2區(qū)。
為實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備防爆，工程上采取了多種防爆技術(shù)方法，并通過(guò)防爆認(rèn)證，構(gòu)成防爆電氣設(shè)備，用來(lái)防止爆炸危險(xiǎn)性環(huán)境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正壓、充油、充砂、無(wú)火花型等形式的防爆電氣設(shè)備。對(duì)于自控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的是隔爆和本安兩種防爆技術(shù)方法。本安防爆技術(shù)又具有很多優(yōu)點(diǎn)，如本質(zhì)安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可帶電檢修等，在過(guò)程儀表自控系統(tǒng)中是第一選擇。
本質(zhì)安全型電氣設(shè)備是從限制電路中的能量入手，通過(guò)可靠的控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)，將潛在的電火花能量降低到可點(diǎn)燃規(guī)定的氣體混合物能量以下，導(dǎo)線及元件、殼體表面的發(fā)熱溫度也限制在規(guī)定的氣體混合物的點(diǎn)燃溫度之下。本質(zhì)安全防爆型式的設(shè)備內(nèi)部，所有電路都是由在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件(包括正常工作和規(guī)定的故障條件)下，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的本質(zhì)安全電路。它又分為“ia”、“ib”兩個(gè)等級(jí)， “ia”等級(jí)電氣設(shè)備，是正常工作和施加一個(gè)故障和任意組合的兩個(gè)故障條件下，均不能引起點(diǎn)燃的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備；“ib”等級(jí)電氣設(shè)備，是正常工作和施加一個(gè)故障條件下，不能引起點(diǎn)燃的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備(參見(jiàn)GB38364標(biāo)準(zhǔn))。本安防爆形式因?qū)δ芰坑袊?yán)格的限制，因此只能應(yīng)用于弱電設(shè)備中，設(shè)備其中Ex-ia設(shè)備適用于Ex.Zone 0、1、2區(qū)或Ex-ib設(shè)備適用于Ex.Zone 1、2區(qū)。本安防爆設(shè)備可以在帶電情況下進(jìn)行檢修和校準(zhǔn)，因此尤其適合過(guò)程自控系統(tǒng)應(yīng)用。
本安防爆技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)使得其在過(guò)程自動(dòng)控制領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，本文將以自控系統(tǒng)的本安應(yīng)用作為重點(diǎn)進(jìn)行討論。
3. 西門子SIMATIC系統(tǒng)在安全防爆場(chǎng)所的幾種應(yīng)用解決方案
由于近年西門子全集成自動(dòng)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(chǎng)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(duì)點(diǎn)接線到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線(Point to Point)解決方案
即傳統(tǒng)DCS/PLC+安全柵方案，見(jiàn)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(chǎng)儀表以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接線方式通過(guò)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(duì)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(chǎng)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(jiàn)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(jí)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。
圖1：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線本安防爆方案
圖2：本安I/O卡板防爆方案
（3）從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案
即FISCO現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全防爆構(gòu)想模型簡(jiǎn)稱FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)便的方式解決了現(xiàn)場(chǎng)總線的防爆應(yīng)用問(wèn)題。FISCO適用于Ex-iaIIC級(jí)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(duì)所掛接現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上，經(jīng)過(guò)上述產(chǎn)品，仍以現(xiàn)場(chǎng)總線方式接至控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)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(chǎng)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(hào)的隔離柵、配電盤和分流器和大量信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)總線（如PROFIBUS-PA）是最新的本安防爆接口技術(shù)。
圖3：Bus to Bus 接線本安防爆方案
(4)從點(diǎn)對(duì)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(jiàn)圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應(yīng)用在Ex.Zone 1區(qū)，通過(guò)點(diǎn)對(duì)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(chǎng)儀表仍可以采用傳統(tǒng)4～20mA本安儀表，以點(diǎn)對(duì)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(chǎng)總線網(wǎng)卡。ET200iSP不僅具有安全柵功能，為現(xiàn)場(chǎng)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(jí)，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(duì)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(chǎng)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(chǎng)總線方式和點(diǎn)對(duì)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?！?/DIV>
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(wú)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(jí)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。
圖4：本安防爆分布式I/O解決方案
4. 西門子控制系統(tǒng)防爆器件介紹
（1）ET200iSP
SIMATIC ET-200iSP是用于Ex危險(xiǎn)區(qū)的分布式I/O系統(tǒng)。使用符合歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)防爆等級(jí)Ex[ia/ib] IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外設(shè)，可以安裝于危險(xiǎn)區(qū)域Ex.Zone 1中，連接來(lái)自Ex.Zone 0區(qū)的本安信號(hào)。ET-200iSP通過(guò)本質(zhì)安全的PROFIBUS-DP/iS總線實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通訊，傳輸速率1.5Mbps。
ET-200iSP 采用位模塊化結(jié)構(gòu)，如圖5所示：
圖5：ET200iSP結(jié)構(gòu)組成
• 一個(gè)SIMATIC ET-200iSP 站點(diǎn)由一個(gè)密封電源、一個(gè)用于連接PROFIBUS-DP 的接口模塊(可擴(kuò)展32 塊電子模塊)，和一個(gè)總線終端電阻模塊組成。而且，其電源和接口模塊均可進(jìn)行冗余配置。
• ET-200iSP的防爆電源是一個(gè)隔爆Ex-d的供電模塊，由安全總線底板向各電子模塊供電。電源模塊本身的供電通過(guò)Ex-e端子實(shí)現(xiàn)，在危險(xiǎn)區(qū)不允許拆開此連接。而且送電電源必須安裝在安全區(qū)。
• 每臺(tái)ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模塊最多可連接64個(gè)模擬信號(hào)或128個(gè)數(shù)字信號(hào)。
• ET-200iSP的模塊化結(jié)構(gòu)為用戶提供了最大限度的靈活性，可以連接NAMUR 數(shù)字量輸入、電磁閥、模擬量輸入/ 輸出、HART 輸入/ 輸出、熱電耦以及熱電阻等。所有電子模塊均具有本安結(jié)構(gòu)，而且在危險(xiǎn)1區(qū)可對(duì)所有的電子模塊(包括供電及總線連接模塊)帶電進(jìn)行更換，即“熱插拔”。
• HART 協(xié)議模板可實(shí)現(xiàn)與HART儀表的無(wú)縫集成。
• 采用彈簧壓緊或螺釘快速連接現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備。
（2） ET200M
在SIMATIC ET 200 產(chǎn)品系列中， ET 200M 是主要的分布式I/O系統(tǒng)，與SIMATIC PCS7一起用于過(guò)程應(yīng)用，支持在線修改( 使用有源總線模塊設(shè)計(jì))，它可使用豐富的S7-300 I/O 模塊包括S7-300標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模塊，冗余信號(hào)模塊，防爆輸入/ 輸出模塊以及符合HART協(xié)議的防爆模擬量輸入和輸出模塊。每個(gè)ET200M接口模塊最多可以連接8 個(gè)I/O 模塊。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線上的從站，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12 Mbit/s。
• ET200M模塊本身采用無(wú)火花型防爆，即ATEX II 3 G EEx n II A T4，配合增安型防護(hù)箱，可安裝在Ex.Zone 2區(qū)，這已可滿足大部分現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜安裝地點(diǎn)的防爆要求，其連接的本安傳感器/執(zhí)行器可以用于Ex.Zone 1區(qū)。
• ET 200M可選用有源總線模板進(jìn)行配置。在非防爆環(huán)境中，允許帶電熱插拔操作，但在危險(xiǎn)區(qū)使用時(shí)不能進(jìn)行熱插拔維護(hù)。
（3） 本安防爆I/O卡板
表1：SIMATIC S7-300系列的隔離式Ex I/O卡板
|
類型 |
規(guī)格 |
防爆級(jí)別 |
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Ex SM321 |
數(shù)字量輸入 4×24VDC ﹤2kHz |
Ex-ibIIC |
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Ex SM322 |
數(shù)字量輸出 4×24VDC或15VDC ﹤100Hz |
Ex-ibIIC |
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Ex SM331 |
模擬量輸入 4/8×mA、mV、TC、RTD、電阻 |
Ex-ibIIC |
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Ex SM332 |
模擬量輸出 4×mA |
Ex-ibIIC |
（4） RS485/IS耦合器
由于ET200iSP直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，進(jìn)行本安操作需要本安PROFIBUS-DP總線。RS485-IS耦合器是一個(gè)“現(xiàn)場(chǎng)總線隔離器”，非本安的PROFIBUS-DP總線通過(guò)RS485-IS耦合器后成為本安的PROFIBUS-DP/iS總線。RS485/IS耦合器對(duì)總線進(jìn)行隔離并限制其能量，使之處于安全范圍之內(nèi)，起到了總線中繼和防爆隔離的作用。在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，本安的PROFIBUS-DP/iS可以帶電進(jìn)行插接操作。
需要注意RS485-IS耦合器本身必須安裝在安全區(qū)內(nèi)。
（5） DP/PA耦合器/鏈接器
DP/PA耦合器/鏈接器實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP到本安現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-PA的轉(zhuǎn)換和連接。PA本安現(xiàn)場(chǎng)總線還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本安現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的饋電。
DP/PA耦合器（Coupler）的主要作用：
• 實(shí)現(xiàn)物理層的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)總線向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電
• 實(shí)現(xiàn)安全柵隔離功能，使危險(xiǎn)區(qū)與安全區(qū)電氣隔離。
DP/PA鏈接器（bbbb）的主要作用：
• 完成過(guò)程儀表與主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊工作，它肩負(fù)著主設(shè)備和從設(shè)備的雙重身份。作為主設(shè)備，它控制著內(nèi)部總線的正常工作；作為從設(shè)備，它又擔(dān)負(fù)著與上一層總線的通訊任務(wù)。
• DP/PA 鏈接器是一種非常簡(jiǎn)單的網(wǎng)關(guān)，它可互連PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA，但去耦傳輸速率。這就意味著PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA可以組合使用，而不會(huì)影響PROFIBUS -DP的性能。
（6） 本安操作員面板
如果防爆現(xiàn)場(chǎng)需要更多的信息顯示和操作，在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)選擇防爆操作界面是非常必要的。安全防爆操作屏由于功率較大，大多采用隔爆形式實(shí)現(xiàn)防爆。
5. 西門子本安防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用
前文所述4種本安防爆控制系統(tǒng)解決方案有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，在實(shí)踐中均有很多應(yīng)用實(shí)例。而且SIMATIC系統(tǒng)還提供了很大的靈活性，用戶可以很方便的利用一種解決方案組成自己的本安防爆控制系統(tǒng)。因?yàn)槲鏖T子的集成一體化思想在SIMATIC產(chǎn)品上的充分體現(xiàn)，我們可以通過(guò)一條PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將幾種防爆解決方案統(tǒng)一在一個(gè)防爆控制系統(tǒng)中，如圖5所示，甚至將防爆應(yīng)用和非防爆應(yīng)用統(tǒng)一在一個(gè)控制系統(tǒng)中。這常見(jiàn)于西門子PCS7系統(tǒng)中多區(qū)域、多場(chǎng)所、多站點(diǎn)的應(yīng)用。
因此用戶可以根據(jù)自己生產(chǎn)的特點(diǎn)，充分的利用不同防爆解決方案的特點(diǎn)，靈活組合幾種防爆解決方案組成自己的本安防爆控制系統(tǒng)。圖5是西門子SIMATIC本安防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用。
圖5西門子防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用
6. 本安防爆分布式I/O方案應(yīng)用實(shí)例
詳見(jiàn)文后附錄：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無(wú)菌制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用
7. 應(yīng)用體會(huì)和結(jié)論
1) 西門子本安防爆分布式I/O方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或智能化現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備更適宜通過(guò)使用ET200系列分布式I/O 連接到PROFIBUS。這些本安傳感器/ 執(zhí)行器還可用于Ex.Zone 2、1或0區(qū)。這使得分布式過(guò)程I/O成為現(xiàn)在的主流產(chǎn)品。
本文認(rèn)為：由于本安防爆分布式I/O方案能夠兼顧兼顧FISCO現(xiàn)場(chǎng)總線方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式兩類應(yīng)用方案的優(yōu)點(diǎn)，能照顧和符合目前大部分用戶的使用、維護(hù)水平和要求，工程投資節(jié)約也非常明顯，因此將得到廣泛應(yīng)用。采用本安防爆分布式I/O方案的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：
l 與傳統(tǒng)安全柵方案相比
• 由于減少了電纜和控制系統(tǒng)I/O卡的使用量，從而可節(jié)省系統(tǒng)的硬件成本；
• 本安分布式I/O集成本安電路比原來(lái)I/O卡+安全柵的成本低，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，占用控制柜空間小，能使用相應(yīng)的體積更小的控制柜，緊湊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致成本大幅度地降低。
• 由于本安分布式I/O可以直接安裝應(yīng)用在危險(xiǎn)Ex.Zone 2、1區(qū)，減少了電纜鋪設(shè)和接線的工作量，從而可降低工程的施工費(fèi)用。
• 集成的總線鏈接器代替過(guò)去密集、冗長(zhǎng)的電纜，能夠明顯加快安裝調(diào)試過(guò)程。
• 由于分布式I/O模塊智能化程度大大提高，更方便用戶的使用和維護(hù)。
• 從控制室到現(xiàn)場(chǎng)本安分布式I/O之間只有一條總線，一目了然且不容易發(fā)生故障并簡(jiǎn)化維護(hù)。
• 本安分布式I/O簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)意味著快速的安裝，少量的接線，更少的故障點(diǎn)。
• 不依賴于有源的背板總線“熱插技”技術(shù)使得ET200iSP的維護(hù)工作大大降低。不需要將整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)或斷電就可以在幾秒鐘內(nèi)更換一個(gè)模塊。相互獨(dú)立的接線端子底板和電子模板結(jié)構(gòu)避免了重復(fù)接線的工作。
l 與現(xiàn)場(chǎng)總線方案相比
• 可將傳統(tǒng)模擬量信號(hào)掛接到現(xiàn)場(chǎng)總線上，這些模擬量信號(hào)如4~20mA信號(hào)(AI/AO)、熱電偶和熱電阻信號(hào)、NAMUR開關(guān)和干接點(diǎn)信號(hào)(DI)、NAMUR或干接點(diǎn)頻率量信號(hào)(PI)、電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)及報(bào)警輸出信號(hào)(DO)等，并不會(huì)很快被現(xiàn)場(chǎng)總線完全取代；
• 與現(xiàn)場(chǎng)總線方案相同也可在一根總線上傳遞多點(diǎn)位的測(cè)量和控制信息；
• 更適應(yīng)員工素質(zhì)的逐步提高，既可使用傳統(tǒng)的儀表檢測(cè)工具對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行維護(hù)和檢修，又可使用PC機(jī)等智能工具學(xué)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的維護(hù)和檢修方法，為今后使用現(xiàn)場(chǎng)總線儀表做準(zhǔn)備。
可見(jiàn)，利用西門子本安防爆分布式I/O方案是比較適合我國(guó)目前儀表控制系統(tǒng)發(fā)展水平的一種本安防爆系統(tǒng)解決方案，其綜合了傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)本安防爆和本安現(xiàn)場(chǎng)總線這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，既有技術(shù)先進(jìn)性，又照顧了傳統(tǒng)儀表的使用方式，因此本安防爆分布式I/O方案具有非常強(qiáng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，具有非常最大的應(yīng)用發(fā)展空間。
2）西門子本安防爆分布式I/O的適用場(chǎng)合
雖然具有本安防爆功能的分布式I/O技術(shù)發(fā)展很快，但是什么樣的防爆場(chǎng)合適用分布式I/O方案仍然是人們經(jīng)常關(guān)心的話題。實(shí)踐表明，在以下幾種防爆場(chǎng)合，用戶應(yīng)考慮采用分布式I/O方案。
• 當(dāng)同時(shí)建設(shè)幾個(gè)比較分散的生產(chǎn)裝置時(shí)，用戶既不愿為每個(gè)裝置都建設(shè)獨(dú)立的主控室，又不愿將太多的錢花在電纜和橋架上。如果這些裝置本來(lái)就準(zhǔn)備采用本安防爆，選用帶有本安防爆功能的西門子SIMATIC ET200iSP、ET200M系列遠(yuǎn)程 I/O便可一舉兩得。
• 當(dāng)主要裝置進(jìn)行建設(shè)時(shí)，常有某些輔助裝置不能同步建設(shè)，或者主裝置的某一部分不能同步進(jìn)行，甚至不能確定這些部分何時(shí)才能建設(shè)，如果預(yù)留這部分的主控室空間或DCS容量，單次投資又太大。此時(shí)，若這些輔助裝置和不確定的部分需要本安防爆，則可設(shè)計(jì)采用分布式I/O方案，待進(jìn)行后期建設(shè)時(shí)加入主系統(tǒng)即可。
• 防爆生產(chǎn)裝置在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上改擴(kuò)建，尤其工期較緊時(shí)。推薦采用防爆分布式I/O方案，這樣可以減少新增點(diǎn)調(diào)試時(shí)對(duì)原系統(tǒng)控制程序的干擾和誤修改，便于獨(dú)立調(diào)試。
• 或是當(dāng)生產(chǎn)裝置改擴(kuò)建時(shí)，用戶希望避免在已經(jīng)擁擠的主控室擴(kuò)充新的 DCS 機(jī)柜和安全柵機(jī)柜。此時(shí)，只要原有的DCS系統(tǒng)具有總線通信能力，便可采用分布式I/O方案。
• 當(dāng)一個(gè)裝置的檢測(cè)點(diǎn)較多，同時(shí)購(gòu)置大量I/O卡和安全柵成本很高。此時(shí)，較合理的方案就是采用結(jié)合I/O卡和安全柵功能為一體的防爆分布式I/O方案。
• 當(dāng)控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線方案，某一個(gè)防爆生產(chǎn)裝置的有些現(xiàn)場(chǎng)儀表沒(méi)有本安現(xiàn)場(chǎng)總線型品種，或者不值得采用現(xiàn)場(chǎng)總線型儀表。這時(shí)可采用能掛接到現(xiàn)場(chǎng)總線上去的防爆分布式I/O。
西門子SIMATIC PCS7系統(tǒng)中應(yīng)用于本安防爆場(chǎng)合的分布式I/O品種已經(jīng)非常豐富，應(yīng)用實(shí)例也非常多。用戶應(yīng)結(jié)合自己的現(xiàn)場(chǎng)情況和控制應(yīng)用需要，合理選用分布式I/O，設(shè)計(jì)出既安全可靠，又節(jié)省投資的應(yīng)用方案。
附：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無(wú)菌制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用
華北制藥股份有限公司是目前世界上最大的抗生素生產(chǎn)制造基地。其某一無(wú)菌抗生素提煉精制包裝車間，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)既是防爆區(qū)又是醫(yī)藥生產(chǎn)潔凈區(qū)，因此根據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)線設(shè)備分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用了以防爆式遠(yuǎn)程I/O ET200iSP構(gòu)成控制系統(tǒng)，完成了無(wú)菌抗生素晶體的從過(guò)濾、洗滌、干燥到分裝包裝全流程的自動(dòng)化控制。完全符合制藥生產(chǎn)GMP要求，具有現(xiàn)場(chǎng)布線簡(jiǎn)潔，方便清潔無(wú)死角，防爆等級(jí)高，控制元件可以實(shí)現(xiàn)本安帶電檢修等特點(diǎn)，非常適合在無(wú)菌制藥生產(chǎn)過(guò)程推廣。
項(xiàng)目介紹
本項(xiàng)目包括有四臺(tái)過(guò)濾、洗滌、干燥三合一大型機(jī)組，由每?jī)膳_(tái)機(jī)組組成一條生產(chǎn)線。生產(chǎn)線具體組成見(jiàn)圖1所示。生產(chǎn)線的設(shè)備組成按生產(chǎn)流程順序依次是：罐式三合一干燥器，全排料管道，排料料倉(cāng)，振蕩篩，稱量分裝裝置等組成。
圖1：三合一生產(chǎn)線的設(shè)備組成
生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介如下：
1) 先密閉整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)，充入惰性氣體保護(hù)，通過(guò)進(jìn)料自動(dòng)閥門加入抗生素待處理結(jié)晶液，達(dá)到一定體積量后關(guān)閉進(jìn)料閥。
2) 通入惰性氣體加壓，通過(guò)底部的大型金屬過(guò)濾板實(shí)現(xiàn)抗生素結(jié)晶液的固液分離。
3) 抗生素結(jié)晶液固液分離后進(jìn)行噴淋洗滌。
4) 洗滌結(jié)束后通過(guò)液壓裝置下降攪拌裝置進(jìn)行攪拌，并同時(shí)利用攪拌內(nèi)部的加熱管路系統(tǒng)加熱物料層，并嚴(yán)格控制干燥過(guò)程溫度，否則會(huì)使抗生素的降解失效。在加熱干燥的同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)抽真空操作，使溶媒快速蒸發(fā)。
5) 物料層干燥合格后（可以取樣檢測(cè)），停止真空，進(jìn)入自動(dòng)排料程序。
6) 自動(dòng)排料程序：在排料口通入惰性氣體，同時(shí)在料倉(cāng)側(cè)抽真空，然后控制攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉下降速度進(jìn)行刮料、送料動(dòng)作，使粉狀物料快速通過(guò)排料閥進(jìn)入料倉(cāng)，當(dāng)攪拌刮至接近金屬過(guò)濾板層時(shí)停止攪拌下降，然后噴吹惰性氣體，將底層物料全部吹至料倉(cāng)。
7) 物料進(jìn)入料倉(cāng)后進(jìn)行料位檢測(cè)，并分批下裝至計(jì)量倉(cāng)，通過(guò)稱量控制閥門進(jìn)行分裝。至此完成抗生素的無(wú)菌過(guò)濾，洗滌，干燥，分裝過(guò)程。
生產(chǎn)系統(tǒng)控制特點(diǎn)分析
三合一生產(chǎn)系統(tǒng)工序流程長(zhǎng)，監(jiān)控點(diǎn)數(shù)多，動(dòng)作復(fù)雜，既有大量開關(guān)量聯(lián)鎖、順序控制，又有大量模擬量回路調(diào)節(jié)；同時(shí)生產(chǎn)全過(guò)程既是潔凈生產(chǎn)環(huán)境，又是易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境，既有很高的安全性要求，又有非常高的控制精度要求?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化操作控制，系統(tǒng)組成復(fù)雜，控制系統(tǒng)涉及的功能多樣，可以完成的功能有：運(yùn)動(dòng)控制，液壓系統(tǒng)，惰性氣體保護(hù)，機(jī)械傳動(dòng)，變頻調(diào)速，自動(dòng)閥門控制，正負(fù)壓控制，還有易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的信息顯示與操作，信號(hào)包括流量、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、料位、動(dòng)態(tài)重量等模擬量的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)控制，以及機(jī)械位置、壓力開關(guān)、流量開關(guān)、料位、安全保護(hù)等開關(guān)量。
此生產(chǎn)線的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特殊，要求很高：
1) 醫(yī)藥潔凈區(qū)，（萬(wàn)級(jí)區(qū)~百級(jí)區(qū)），制藥管理規(guī)范GMP要求現(xiàn)場(chǎng)越簡(jiǎn)潔越好，便于清潔，免除清潔死角
2) 是防爆區(qū)，為Zone1區(qū)，含有多種有機(jī)溶媒。
3) 全自動(dòng)化生產(chǎn)線分布很長(zhǎng)，很散，跨越幾個(gè)隔離間， GMP要求現(xiàn)場(chǎng)管線越少越好
4) 機(jī)組本身控制點(diǎn)分布特點(diǎn)是：分布區(qū)域大，但每個(gè)區(qū)域內(nèi)信號(hào)點(diǎn)集中，適合I/O分布式信號(hào)處理。
5) 生產(chǎn)操作復(fù)雜，需要人工干預(yù)生產(chǎn)階段的結(jié)束和開始，操作信息非常多，同時(shí)機(jī)械安全操作要求必須在現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備，不得遠(yuǎn)程控制，因此現(xiàn)場(chǎng)必須設(shè)置大信息量的防爆、潔凈操作界面。
這些控制特點(diǎn)和要求，因此非常適合采用西門子防爆遠(yuǎn)程I/O方案解決以上問(wèn)題。因此，按照生產(chǎn)線功能流程和儀表信號(hào)的位置分布可以將系統(tǒng)劃分為6個(gè)功能部分，分別見(jiàn)圖1中所示各位置功能單元：
1) 三合一罐體上部
2) 三合一罐體下部底盤開合操作區(qū)
3) 信息顯示與操作單元
4) 料倉(cāng)區(qū)
5) 振蕩篩部分
6) 自動(dòng)稱量、分裝單元
7) 控制室控制柜
控制系統(tǒng)構(gòu)成：
控制系統(tǒng)采用西門子SIMATIC S7300 PLC作為主控器，采用PROFIBUS-DP作為控制、通訊網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)按照控制點(diǎn)的區(qū)域位置分布設(shè)置西門子防爆式遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP，現(xiàn)場(chǎng)采用防爆操作屏BARTEC VGA作為人機(jī)操作界面，并在控制室開發(fā)具有集中管理功能的WINCC工作站作為遠(yuǎn)端管理站。
本項(xiàng)目中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：
圖2：三合一生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：
1) 安全保護(hù)功能。惰性氣體保護(hù)裝置，各種安全聯(lián)鎖，狀態(tài)位置監(jiān)測(cè)聯(lián)鎖，流程條件的連鎖，順序控制等。
2) 系統(tǒng)測(cè)控部分為本安系統(tǒng)。分布在.現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械開關(guān)，接近開關(guān)，溫度、壓力變送器，這些自控設(shè)備全部為本安防爆型，信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)本安防爆遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP進(jìn)行匯總處理，弱電控制部分均為本質(zhì)安全回路，安全等級(jí)達(dá)到Ex ia IIC T6。所以可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行帶電信號(hào)檢修，大大方便了設(shè)備的維護(hù)，減少設(shè)備故障檢修時(shí)間。
3) 現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊設(shè)置在RITTAL增安型儀表箱中，布線簡(jiǎn)潔，與傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)防爆控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布線方式相比，省卻了大量電纜保護(hù)管，有效保證了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的簡(jiǎn)潔易于清潔，減少死角，充分符合制藥GMP規(guī)范。
4) 信號(hào)采集采用1.5M的通訊速率，速度極快?？刂葡到y(tǒng)包括大量開關(guān)量、模擬量的邏輯聯(lián)鎖、順序控制、混合控制，實(shí)時(shí)安全。
5) 實(shí)現(xiàn)在防爆現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜操作控制。利用全集成自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，采用智能防爆型BARTEC操作顯示屏，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的復(fù)雜操作和各種狀態(tài)信息顯示，而且只需一根電源線和兩芯屏蔽雙絞通訊總線即可完成連接，省卻復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)布線和龐大的隔爆操作盤。
6) 模擬量的回路自控。可以進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)、物位的調(diào)節(jié)、倉(cāng)體壓力的調(diào)節(jié)、攪拌轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、扭矩的調(diào)節(jié)、精確分裝重量的調(diào)節(jié)、攪拌升降位置設(shè)定，SIMATIC控制系統(tǒng)可以達(dá)到很高的控制精度。
7) 系統(tǒng)采用防爆遠(yuǎn)程I/O單元式結(jié)構(gòu)，因此實(shí)現(xiàn)了單元分步驟調(diào)試，調(diào)試任務(wù)清晰，加快了系統(tǒng)投運(yùn)速度。
在無(wú)菌抗生素生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，本安防爆遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP的使用，完全適合了無(wú)菌制藥環(huán)境要求，安全防爆，布線簡(jiǎn)潔，易于清潔，完美實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能。控制系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將模擬、數(shù)字控制，傳動(dòng)控制，安全防爆操作顯示，過(guò)程信息管理等諸多功能很方便的統(tǒng)一在一起，減少了故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)整體性能，為用戶創(chuàng)造了價(jià)值。
本文標(biāo)簽：西門子SIMATIC系統(tǒng)在安全防爆場(chǎng)所的應(yīng)用
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