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1. 前言
西門子的全集成一體化控制系統在危險區的本安防爆應用方式上具有很大的靈活性。具有大量安全防爆產品可供用戶設計成為滿足不同要求的本安防爆系統，極大的方便了用戶的選擇和應用，用戶可以根據自己的實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。
本文就西門子防爆系統的幾種應用方式進行了探討和總結，以求對防爆用戶的設計應用有所幫助啟發。
2. 爆炸性危險場所的劃分
在危險場所中安全地使用爆炸性環境用電氣設備的前題條件是合理的選擇、正確的安裝和考慮系統日常生產運行時必要的維護。因此應根據其使用所在的危險場所的性質來合理的選擇防爆電氣設備。
危險場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或者爆炸危險的場所。典型的危險場所，如石油化工行業中爆炸性物質的生產、加工和貯存過程中所形成的環境。對爆炸性氣體環境，按場所中危險物質存在時間的長短，將爆炸性氣體環境危險區域劃分為三個區，即分為Ex.Zone0區、Ex.Zone1區和Ex.Zone2區。
Ex.Zone0區：連續出現或長期出現爆炸性氣體混和物的環境。
Ex.Zone1區：在正常運行時可能出現爆炸性氣體混和物的環境。
Ex.Zone2區：在正常運行時不可能出現爆炸性氣體混和物的環境或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混和物的環境。
在工程實踐中，Ex.Zone0區一般只存在于密閉的容器、貯罐等內部氣體空間，在實際設計過程中Ex.Zone1區也很少存在，大多數情況屬于Ex.Zone2區。
為實現電氣設備防爆，工程上采取了多種防爆技術方法，并通過防爆認證，構成防爆電氣設備，用來防止爆炸危險性環境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正壓、充油、充砂、無火花型等形式的防爆電氣設備。對于自控系統來說，最常見的是隔爆和本安兩種防爆技術方法。本安防爆技術又具有很多優點，如本質安全，結構簡單，可帶電檢修等，在過程儀表自控系統中是第一選擇。
本質安全型電氣設備是從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參數設計，將潛在的電火花能量降低到可點燃規定的氣體混合物能量以下，導線及元件、殼體表面的發熱溫度也限制在規定的氣體混合物的點燃溫度之下。本質安全防爆型式的設備內部，所有電路都是由在標準規定條件(包括正常工作和規定的故障條件)下，產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的本質安全電路。它又分為“ia”、“ib”兩個等級， “ia”等級電氣設備，是正常工作和施加一個故障和任意組合的兩個故障條件下，均不能引起點燃的本質安全型電氣設備;“ib”等級電氣設備，是正常工作和施加一個故障條件下，不能引起點燃的本質安全型電氣設備(參見GB38364標準)。本安防爆形式因對能量有嚴格的限制，因此只能應用于弱電設備中，設備其中Ex-ia設備適用于Ex.Zone 0、1、2區或Ex-ib設備適用于Ex.Zone 1、2區。本安防爆設備可以在帶電情況下進行檢修和校準，因此尤其適合過程自控系統應用。
本安防爆技術的優點和特點使得其在過程自動控制領域獲得了越來越廣泛的應用，本文將以自控系統的本安應用作為重點進行討論。
3. 西門子SIMATIC系統在安全防爆場所的幾種應用解決方案
由于近年西門子全集成自動化(TIA)理念在西門子系統中的推廣和應用，西門子SIMATIC系統尤其PCS 7系統中增添了許多可供用戶選擇的豐富的安全防爆系統解決方案，大大加強了其在安全防爆領域的應用能力。而且由于本質安全型現場總線PROFIBUS-PA的推廣應用，日臻成熟，為解決傳統的安全防爆系統設計提供了更靈活、可靠的解決方案。本文主要介紹以西門子SIMATIC系統為核心構架完成一個安全防爆系統的幾種典型解決方案。
(1)從點對點接線到點對點接線(Point to Point)解決方案
即傳統DCS/PLC+安全柵方案，見圖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。應用特點是本安防爆現場儀表以點對點的接線方式通過電纜接至安全區控制柜內的安全柵，安全柵再以點對點的接線方式接至控制系統(DCS/PLC)的通用I/O卡。這是傳統的本安防爆接口技術。
(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卡板基礎上增加本安電路，使之成為本安防爆卡板，可直接與現場兩線制本安儀表相連接，省卻安全柵環節，構成本安防爆控制系統，見圖2所示。其本質與DCS/PLC+安全柵方案相同，但是減少了安全柵環節，節省了線路連接點，因此能夠降低系統的故障點。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，其防爆等級為Ex-ibIIC，可以掛接Ex.Zone1區內的本安儀表。由于本安防爆卡板使用了集成安全柵技術，減少了隔離式和齊納式安全柵的使用，因此結構緊湊，節約了空間和費用。
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圖1：點對點接線本安防爆方案 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現場總線解決方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現場總線本質安全防爆構想模型簡稱FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA現場總線以本質安全方式安裝使用在Ex-區成為可能，以經濟簡便的方式解決了現場總線的防爆應用問題。FISCO適用于Ex-iaIIC級別的本安防爆方式。PROFIBUS-PA總線既能實現數字通訊(31.25kbps)，又可實現對所掛接現場總線儀表的本安供電。西門子PROFIBUS-PA總線防爆系統一般由DP/PA耦合器/鏈接器，本安配電鏈接模塊，T型總線接頭、PA總線電纜和本安現場總線儀表構成。Bus to Bus方式的應用特點是智能現場總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上，經過上述產品，仍以現場總線方式接至控制系統的現場總線網卡。整個系統的數據信號鏈路用一條雙絞電纜即可構成。
其特點是：直接用于危險區域中的現場總線不僅節省了大量的布線成本，而且也節約了許多傳統方案中必須的I/O 信號的隔離柵、配電盤和分流器和大量信號電纜，同時節約了大量控制箱柜空間。此外，還可以省去防爆現場元件的機械保護裝置如雙層絕緣、附加金屬保護網等，以及在使用非本質安全導線時所需要的防爆鋼管。
FISCO本質安全現場總線(如PROFIBUS-PA)是最新的本安防爆接口技術。
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圖3：Bus to Bus 接線本安防爆方案
(4)從點對點接線到總線(Point to Bus) 解決方案
即本安防爆遠程分布式I/O方案，產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系列本質安全分布式I/O。見圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應用在Ex.Zone 1區，通過點對點電纜連接至Ex.Zone 0區的本安儀表。
與從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案相比，其應用特點是：現場儀表仍可以采用傳統4～20mA本安儀表，以點對點的接線方式接至分布式I/O，而分布式I/O向上則以經本安鏈接器485/iS隔離后的PROFIBUS-DP/iS(1.5Mbps)總線方式接至控制系統通信總線或現場總線網卡。ET200iSP不僅具有安全柵功能，為現場回路提供本質安全防爆，而且ET200iSP本身還具有很高的防爆安全等級，其I/O模塊、電源模塊和網關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，可對其所有電子模塊(包括電源模塊和總線連接模塊)進行帶電熱插拔維護、操作。顯然，這種本安防爆解決方案中，現場儀表仍可使用傳統的4—20mA儀表。本安防爆遠程分布式I/O方案是能兼顧FISCO現場總線方式和點對點方式兩類應用方案優點的一種中間方案，也是本文將詳細討論的方案。
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如果選用相應的防爆結構和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后，其本身就構成無火花型防爆形式，可以直接安裝在危險區。但ET200M本身的防爆級別要比ET200iSP低，只能安裝在增安型(Ex e)保護箱中，用于Ex.Zone 2區。ET200M的數據傳輸采用PROFIBUS-DP，最高速率可達12 Mbps，相比ET200iSP的1.5Mbps通訊速率要高。
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圖4：本安防爆分布式I/O解決方案
4. 西門子控制系統防爆器件介紹
(1)ET200iSP
SIMATIC ET-200iSP是用于Ex危險區的分布式I/O系統。使用符合歐洲電工標準委員會標準防爆等級Ex[ia/ib] IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外設，可以安裝于危險區域Ex.Zone 1中，連接來自Ex.Zone 0區的本安信號。ET-200iSP通過本質安全的PROFIBUS-DP/iS總線實現與控制系統的通訊，傳輸速率1.5Mbps。
ET-200iSP 采用位模塊化結構，如圖5所示：
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圖5：ET200iSP結構組成
? 一個SIMATIC ET-200iSP 站點由一個密封電源、一個用于連接PROFIBUS-DP 的接口模塊(可擴展32 塊電子模塊)，和一個總線終端電阻模塊組成。而且，其電源和接口模塊均可進行冗余配置。
? ET-200iSP的防爆電源是一個隔爆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Ex-e端子實現，在危險區不允許拆開此連接。而且送電電源必須安裝在安全區。
? 每臺ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模塊最多可連接64個模擬信號或128個數字信號。
? ET-200iSP的模塊化結構為用戶提供了最大限度的靈活性，可以連接NAMUR 數字量輸入、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構，而且在危險1區可對所有的電子模塊(包括供電及總線連接模塊)帶電進行更換，即“熱插拔”。
? HART 協議模板可實現與HART儀表的無縫集成。
? 采用彈簧壓緊或螺釘快速連接現場本安設備。
(2)ET200M
在SIMATIC ET 200 產品系列中， ET 200M 是主要的分布式I/O系統，與SIMATIC PCS7一起用于過程應用，支持在線修改( 使用有源總線模塊設計)，它可使用豐富的S7-300 I/O 模塊包括S7-300標準信號模塊，冗余信號模塊，防爆輸入/ 輸出模塊以及符合HART協議的防爆模擬量輸入和輸出模塊。每個ET200M接口模塊最多可以連接8 個I/O 模塊。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 現場總線上的從站，最大數據傳輸速率為12 Mbit/s。
? ET200M模塊本身采用無火花型防爆，即ATEX II 3 G EEx n II A T4，配合增安型防護箱，可安裝在Ex.Zone 2區，這已可滿足大部分現場機柜安裝地點的防爆要求，其連接的本安傳感器/執行器可以用于Ex.Zone 1區。
? ET 200M可選用有源總線模板進行配置。在非防爆環境中，允許帶電熱插拔操作，但在危險區使用時不能進行熱插拔維護。
(3)本安防爆I/O卡板
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由于ET200iSP直接安裝在Ex.Zone 1區，進行本安操作需要本安PROFIBUS-DP總線。RS485-IS耦合器是一個“現場總線隔離器”，非本安的PROFIBUS-DP總線通過RS485-IS耦合器后成為本安的PROFIBUS-DP/iS總線。RS485/IS耦合器對總線進行隔離并限制其能量，使之處于安全范圍之內，起到了總線中繼和防爆隔離的作用。在危險區內，本安的PROFIBUS-DP/iS可以帶電進行插接操作。
需要注意RS485-IS耦合器本身必須安裝在安全區內。
(5)DP/PA耦合器/鏈接器
DP/PA耦合器/鏈接器實現PROFIBUS-DP到本安現場總線PROFIBUS-PA的轉換和連接。PA本安現場總線還可以實現對本安現場總線儀表的饋電。
DP/PA耦合器(Coupler)的主要作用：
? 實現物理層的轉換，并通過總線向現場儀表供電
? 實現安全柵隔離功能，使危險區與安全區電氣隔離。
DP/PA鏈接器(Link)的主要作用：
? 完成過程儀表與主控制器之間的數據通訊工作，它肩負著主設備和從設備的雙重身份。作為主設備，它控制著內部總線的正常工作;作為從設備，它又擔負著與上一層總線的通訊任務。
? DP/PA 鏈接器是一種非常簡單的網關，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，而不會影響PROFIBUS -DP的性能。
(6)本安操作員面板
如果防爆現場需要更多的信息顯示和操作，在控制系統中設計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現防爆。
5. 西門子本安防爆系統的綜合應用
前文所述4種本安防爆控制系統解決方案有各自的特點和應用場合，在實踐中均有很多應用實例。而且SIMATIC系統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。因為西門子的集成一體化思想在SIMATIC產品上的充分體現，我們可以通過一條PROFIBUS-DP現場總線將幾種防爆解決方案統一在一個防爆控制系統中，如圖5所示，甚至將防爆應用和非防爆應用統一在一個控制系統中。這常見于西門子PCS7系統中多區域、多場所、多站點的應用。
因此用戶可以根據自己生產的特點，充分的利用不同防爆解決方案的特點，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。圖5是西門子SIMATIC本安防爆系統的綜合應用。
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圖5西門子防爆系統的綜合應用
6. 應用體會和結論
1)西門子本安防爆分布式I/O方案的技術優勢
傳統的現場設備和HART現場設備或智能化現場過程設備更適宜通過使用ET200系列分布式I/O 連接到PROFIBUS。這些本安傳感器/ 執行器還可用于Ex.Zone 2、1或0區。這使得分布式過程I/O成為現在的主流產品。
本文認為：由于本安防爆分布式I/O方案能夠兼顧兼顧FISCO現場總線方式和點對點方式兩類應用方案的優點，能照顧和符合目前大部分用戶的使用、維護水平和要求，工程投資節約也非常明顯，因此將得到廣泛應用。采用本安防爆分布式I/O方案的優勢主要體現在以下方面：
與傳統安全柵方案相比
? 由于減少了電纜和控制系統I/O卡的使用量，從而可節省系統的硬件成本;
? 本安分布式I/O集成本安電路比原來I/O卡+安全柵的成本低，而且結構簡單緊湊，占用控制柜空間小，能使用相應的體積更小的控制柜，緊湊的結構導致成本大幅度地降低。
? 由于本安分布式I/O可以直接安裝應用在危險Ex.Zone 2、1區，減少了電纜鋪設和接線的工作量，從而可降低工程的施工費用。
? 集成的總線鏈接器代替過去密集、冗長的電纜，能夠明顯加快安裝調試過程。
? 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。
? 從控制室到現場本安分布式I/O之間只有一條總線，一目了然且不容易發生故障并簡化維護。
? 本安分布式I/O簡單的結構意味著快速的安裝，少量的接線，更少的故障點。
? 不依賴于有源的背板總線“熱插技”技術使得ET200iSP的維護工作大大降低。不需要將整個系統停機或斷電就可以在幾秒鐘內更換一個模塊。相互獨立的接線端子底板和電子模板結構避免了重復接線的工作。
與現場總線方案相比
? 可將傳統模擬量信號掛接到現場總線上，這些模擬量信號如4～20mA信號(AI/AO)、熱電偶和熱電阻信號、NAMUR開關和干接點信號(DI)、NAMUR或干接點頻率量信號(PI)、電磁閥驅動信號及報警輸出信號(DO)等，并不會很快被現場總線完全取代;
? 與現場總線方案相同也可在一根總線上傳遞多點位的測量和控制信息;
? 更適應員工素質的逐步提高，既可使用傳統的儀表檢測工具對現場儀表進行維護和檢修，又可使用PC機等智能工具學習現場總線儀表的維護和檢修方法，為今后使用現場總線儀表做準備。
可見，利用西門子本安防爆分布式I/O方案是比較適合我國目前儀表控制系統發展水平的一種本安防爆系統解決方案，其綜合了傳統點對點本安防爆和本安現場總線這兩種方式的優點，既有技術先進性，又照顧了傳統儀表的使用方式，因此本安防爆分布式I/O方案具有非常強的技術、經濟優越性，具有非常最大的應用發展空間。
2)西門子本安防爆分布式I/O的適用場合
雖然具有本安防爆功能的分布式I/O技術發展很快，但是什么樣的防爆場合適用分布式I/O方案仍然是人們經常關心的話題。實踐表明，在以下幾種防爆場合，用戶應考慮采用分布式I/O方案。
? 當同時建設幾個比較分散的生產裝置時，用戶既不愿為每個裝置都建設獨立的主控室，又不愿將太多的錢花在電纜和橋架上。如果這些裝置本來就準備采用本安防爆，選用帶有本安防爆功能的西門子SIMATIC ET200iSP、ET200M系列遠程 I/O便可一舉兩得。
? 當主要裝置進行建設時，常有某些輔助裝置不能同步建設，或者主裝置的某一部分不能同步進行，甚至不能確定這些部分何時才能建設，如果預留這部分的主控室空間或DCS容量，單次投資又太大。此時，若這些輔助裝置和不確定的部分需要本安防爆，則可設計采用分布式I/O方案，待進行后期建設時加入主系統即可。
? 防爆生產裝置在原有控制系統基礎上改擴建，尤其工期較緊時。推薦采用防爆分布式I/O方案，這樣可以減少新增點調試時對原系統控制程序的干擾和誤修改，便于獨立調試。
? 或是當生產裝置改擴建時，用戶希望避免在已經擁擠的主控室擴充新的 DCS 機柜和安全柵機柜。此時，只要原有的DCS系統具有總線通信能力，便可采用分布式I/O方案。
? 當一個裝置的檢測點較多，同時購置大量I/O卡和安全柵成本很高。此時，較合理的方案就是采用結合I/O卡和安全柵功能為一體的防爆分布式I/O方案。
? 當控制系統采用現場總線方案，某一個防爆生產裝置的有些現場儀表沒有本安現場總線型品種，或者不值得采用現場總線型儀表。這時可采用能掛接到現場總線上去的防爆分布式I/O。
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