1. 前言

燃?xì)?、化工生產(chǎn)過程中相當(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。

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0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。
0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。
1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。
2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。
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GB3836.4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)備其中本安設(shè)備適用于0、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)，因此尤其適合過程自控系統(tǒng)應(yīng)用。
3. 安全防爆場(chǎng)所的兩種應(yīng)用解決方案
（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/IO板卡+安全柵方案。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/IO板卡）的通用I/O卡。這是傳統(tǒng)的本安防爆接口技術(shù)。
目前，在我國(guó)大部分企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)中，仍采用這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線的方式。采用這種方式，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)，如0-1MPa的氣壓信號(hào)，0-10mA、4-20mA的直流電流信號(hào)，1-5V直流電壓信號(hào)等，送往集中控制室這一傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。模擬信號(hào)變化緩慢，提高計(jì)算速度與精度的開銷、難度都較大，信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，需要大量的電纜和接線端子，系統(tǒng)施工時(shí)要耗費(fèi)大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數(shù)眾多的連接點(diǎn)及故障診斷的困難，也給日后系統(tǒng)的檢修及維護(hù)帶來(lái)了很大的不便。
 
（2）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)品核心包括總線式隔離安全柵。其中極具代表性的是智允電子的ZY系列總線式隔離安全柵。見圖所示：安全柵安裝在隔爆的箱體內(nèi)部，直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電纜連接至Ex.Zone 0區(qū)的本安儀表。
 
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既總線式隔離安全柵，安全柵不僅僅具有安全柵功能，為現(xiàn)場(chǎng)回路提供本質(zhì)安全防爆，而且把現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)的儀表信號(hào)轉(zhuǎn)換為MODBUS通訊協(xié)議的RS485信號(hào)。
采用這種方案，
• 一根雙絞線可連接多臺(tái)設(shè)備，從而減少導(dǎo)線數(shù)量，降低配線成本。
• 由于采用數(shù)字式傳輸方式，可以處理高精度的信息，品質(zhì)管理更加嚴(yán)密。
• 由于實(shí)現(xiàn)了多重通信，可以傳送現(xiàn)場(chǎng)儀表PV值、MV值以外的信息。
• 現(xiàn)場(chǎng)儀表之間可以通信，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)儀表的自律分散控制。
• 由于確保了相互運(yùn)用性，不同廠家的儀表可以組合。
• 不限定廠家、機(jī)型，選擇范圍廣，構(gòu)成了最佳的系統(tǒng)。
• 實(shí)現(xiàn)了儀表測(cè)量、電機(jī)、分析儀等各種系統(tǒng)的綜合化。
• 在儀表室可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行部分調(diào)試、點(diǎn)檢。
• 多種診斷功能，為系統(tǒng)的維護(hù)帶來(lái)了極大的方便。
因此可以給用戶帶來(lái)巨大的收益：
• 大量節(jié)省用戶I/O成本及工程材料成本；
• 簡(jiǎn)化用戶設(shè)計(jì)、施工工作，優(yōu)化系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu);
• 提高系統(tǒng)的安全性可靠性；
從以上的特點(diǎn)可以看出，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成全新系統(tǒng)成為解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)諸多缺陷的一個(gè)最佳的選擇。這一結(jié)論，從目前眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用實(shí)例中能夠得到很好的驗(yàn)證。全面采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已是大勢(shì)所趨。
 
4. ZY總線式隔離安全柵介紹
智允電子的ZY系列智能隔離式安全柵集信號(hào)浪涌保護(hù)和隔離式安全柵、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換功能合三為一。
產(chǎn)品采用電磁耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出的可靠隔離，且無(wú)需本安接地，大大增強(qiáng)了檢測(cè)和控制回路的抗干擾能力。它在產(chǎn)品的本安側(cè)加上浪涌保護(hù)功能，使用更安全、更經(jīng)濟(jì)、更方便。同時(shí)產(chǎn)品在設(shè)備中集成了I/O、數(shù)據(jù)采集和隔離的RS-485總線接口，支持Modbus協(xié)議，可以為用戶在主控設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間提供完整的數(shù)據(jù)采集和通訊解決方案，它也是一種總線式隔離安全柵。
最有特色的是ZY系列智能隔離式安全柵中的RS-485、 RS22、RS232通訊安全柵，產(chǎn)品內(nèi)置了燃?xì)?、石化行業(yè)的主流本安型儀表的通訊協(xié)議，可以根據(jù)需要將相關(guān)儀表信號(hào)轉(zhuǎn)換為MODBUS RTU & ASC II 標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，省卻了工程技術(shù)人員解析各種非標(biāo)通訊協(xié)議的痛苦。
ZY系列智能隔離式安全柵浪涌保護(hù)性能
－總線通訊端高達(dá)10kV（1.2/50μs）抗浪涌能力
－額定放電電流In（8/20）μs：5kA（線對(duì)線，線對(duì)地）
－最大放電電流Imax（8/20）μs：10kA（線對(duì)地）
－響應(yīng)時(shí)間： 10ns
 
ZY系列智能隔離式安全柵認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品認(rèn)證
— 認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)：
GB3836-1-2000《爆炸性氣體環(huán)境電氣設(shè)備 第1部分：通用要求》
GB3836.4-2000《爆炸性氣體環(huán)境電氣設(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“i ”》
GB18802.21-2004《低壓電涌保護(hù)器 第21部分：電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器（SPD）—性能要求和試驗(yàn)方法》
— 產(chǎn)品認(rèn)證：
國(guó)家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心防爆認(rèn)證。
 
5. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的特點(diǎn)
1. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
本安防爆分布式I/O方案能夠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：
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去密集、冗長(zhǎng)的電纜，能夠明顯加快安裝調(diào)試過程。
 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。
與傳統(tǒng)的現(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，利用總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式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. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的適用場(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。
 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。
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。