Что такое барьер искрозащиты
Что такое барьер искрозащиты и как он работает
Барьером искрозащиты или барьером искробезопасности называется электронное защитное устройство (часто имеющее модульную конструкцию), устанавливаемое последовательно в цепь между искроопасной и искробезопасной зонами предприятия, проще говоря — между зоной взрывоопасной и взрывобезопасной.
В целом у данных блоков можно выделить ряд достоинств: они универсальны, недороги, просты в установке, имеют малые габариты и простую модульную конструкцию, удобную для плотного монтажа на DIN-рейку.
Из относительных недостатков: необходимость надежного заземления цепи, ограниченное максимальное рабочее напряжение, защищаемое оборудование обязано быть само качественно изолировано от земли.
Тем не менее, невзирая на кажущуюся прихотливость, барьер искрозащиты представляет собой отличное средство, позволяющее недорого, негромоздко, при этом надежно, защитить оборудование от искр электрической природы. Далее станет ясно, почему.
Взглянув на схему барьера искрозащиты, легко видеть, что устройство это довольно простое. Оно содержит в качестве главных элементов шунтирующие стабилитроны (или один стабилитрон), к которым последовательно присоединен с одной стороны балластный резистор, а с другой — обычный плавкий предохранитель. Это так называемый шунт-стабилитронный искрозащитный барьер.
Работает блок следующим образом. В обычном режиме работы оборудования стабилитроны закрыты, ток через них не течет, ибо напряжение на них еще не превысило напряжения пробоя.
Но в момент наступления аварийной ситуации в цепи, напряжение на стабилитронах тут же начинает превышать определенный предел — стабилитроны резко переходят в состояние проводимости (режим стабилизации) — начинают активно пропускать через себя ток, шунтируя цепь, предотвращая появление искры.
Барьеры искрозащиты, производимые в соответствии с ГОСТом Р 51330.10-99, широко применяются сегодня на предприятиях химической, нефтяной и газовой промышленностей, где крайне важно отсутствие искр любой природы.
Барьеры искрозащиты на шунтирующих стабилитронах были изобретены в конце 1950-х годов как раз с целью применения в контроллерах управления технологическими процессами для химической промышленности.
Мощные резисторы и стабилитроны, применяемые в современных блоках искрозащиты, позволяют уже сегодня снизить сопротивление барьеров на 24 вольта до менее чем 290 Ом, и тенденция направлена дальше в сторону уменьшения проходного сопротивления и увеличения мощности стабилитронов. Ограничение накладывается лишь приемлемыми габаритами и ценой изделий.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Основы искробезопасности цепей
Возникновение искры или нагрев какого-либо элемента на взрывоопасных объектах может привести к необратимым последствиям. Для безопасности производства, хранения и транспортировки нефтепродуктов или горючих газов необходимо устанавливать дополнительное оборудование, обеспечивающее взрывозащиту. Для искробезопасности электрических цепей применяются барьеры искрозащиты ОВЕН Искра.
Во взрывоопасных зонах необходимо создавать условия, неспособные вызвать воспламенение горюче-смазочных материалов, т.е. помимо применения оборудования в искробезопасном исполнении должны применяться искробезопасные цепи.
Искробезопасная электрическая цепь i – вид взрывозащиты, основанный на ограничении энергии искры, которая может возникнуть внутри оборудования или проводки, находящихся во взрывоопасной зоне, например, на объектах с горючими газами. Требования к искробезопасному (ex ia) оборудованию и обеспечению искробезопасности прописаны в ГОСТ 31610.11 (IEC 60079-11:2011).
Смесь газа (5 – 15 %) с воздухом может взорваться только в случае возникновения искры, способной «поджечь» эту взрывоопасную смесь. Если энергии искры будет недостаточно, то взрыва не произойдет. Для удержания энергии искры на уровне, недостаточном для воспламенения взрывоопасной смеси, необходимо ограничивать электрические параметры (напряжение, ток, емкость и индуктивность) в цепи «датчик – прибор».
У датчиков в искробезопасном исполнении и у барьеров есть собственные пороговые значения напряжения (Ui, Uo), тока (Ii, Io), индуктивности (Li, Lo), емкости (Ci, Co) (рис.1), которые должны находиться между собой в определенных соотношениях. Кроме этого, следует учитывать, что соединительный кабель также имеет емкость и индуктивность (Lc, Cc).
Датчики давления или температуры устанавливаются во взрывоопасной зоне, а вторичный прибор – измеритель, терморегулятор, контроллер и т.п. – должен располагаться во взрывобезопасной зоне. Электрические параметры датчиков ограничивает производитель, то есть датчик в исполнении ex ia не может служить причиной мощной искры. Но для искробезопасной цепи этого недостаточно – нужно, чтобы искра не имела возможности проникнуть во взрывоопасную зону извне, от вторичного прибора. Это условие обеспечивает барьер искрозащиты ОВЕН ИСКРА.03. Барьер устанавливается во взрывобезопасной зоне и не позволяет превысить пороговые значения электрической цепи. Маркировка барьера ИСКРА.03 показана на рис. 2.
Из табл. 1 видно, что напряжение и ток искробезопасного датчика должны быть выше соответствующих параметров искробарьера. Только при таких условиях барьер обеспечивает взрывобезопасность датчика. При этом суммарные значения емкости и индуктивности соединения «датчик – кабель» не должны превышать максимальных выходных параметров искробарьера. Это необходимо для того, чтобы накопленная в реактивных компонентах (катушки индуктивности, конденсаторы и т.п.) энергия в случае короткого замыкания не вызвала искру, способную поджечь газовоздушную смесь.
Искробарьеры делятся на два класса: активные и пассивные.
Пассивный тип барьеров искрозащиты
Пассивные или шунт-диодные искробарьеры включают так называемые диоды Зенера D (стабилитроны), резисторы R и плавкие предохранители F (рис. 3). При возникновении опасной ситуации (например, скачка напряжения на входе барьера) стабилитроны D открываются и сбрасывают излишки напряжения на землю. Предохранитель F защищает барьер от повреждения, резистор R ограничивает ток в цепи. Совместная работа этих элементов гарантирует невозможность превышения тока и напряжения в цепи выше Io и Uo. В конструкцию барьера могут быть заложены 1, 2 или 3 стабилитрона, их количество влияет на уровень искробезопасности.
Пассивные искробарьеры могут быть трех уровней искробезопасности:
Преимущества пассивных искробарьеров:
Особенности пассивных искробарьеров:
ОВЕН ИСКРА.03 относится к пассивным искробарьерам с классом взрывозащиты «ia».
Активный тип барьеров искрозащиты
Принципиальное отличие активных барьеров от пассивных заключается в том, что активный барьер имеет в своем составе активные полупроводниковые элементы, которые обеспечивают питание датчика с ограниченными параметрами по току и напряжению, позволяют выдавать/принимать сигналы и преобразовывать их в унифицированные (4…20 мА) и т.д.
Современные активные барьеры имеют гальваническую развязку между цепью датчика и цепью связанного оборудования, находящегося во взрывобезопасной зоне. Гальваническая развязка означает, что датчик, находящийся во взрывоопасной зоне, и контроллер, находящийся в безопасной зоне, не имеют непосредственного электрического контакта. Цепи с гальванической развязкой являются самыми безопасными и помехозащищенными.
Активные барьеры включают в себя пассивный барьер со средствами развязки (транзисторные оптопары или трансформаторы), преобразователи сигнала и т.д. (рис. 4).
Преимущества активных барьеров:
Слабые места активных барьеров:
В ассортименте ОВЕН есть активный искробарьер – НПТ-1К.Ех.
© Автоматизация и Производство, 2021. Все права защищены. Любое использование материалов допускается только с согласия редакции. За достоверность сведений, представленных в журнале, ответственность несут авторы статей.
Издание зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Свидетельство о регистрации средств массовой информации ПИ № ФС77-68720.
Принцип действия барьеров искробезопасности с гальванической развязкой
Барьеры искрозащиты с гальванической развязкой – это активные барьеры с гальваническим разделением искроопасных и искробезопасных цепей.
Устройство и работу таких барьеров рассмотрим на примере ЭнИ-БИС-301-Ех-AI, предназначенного для подключения пассивных датчиков с выходным унифицированным токовым сигналом 4…20 мА (искробезопасная цепь), расположенных во взрывоопасной зоне, и преобразования данного сигнала в выходные сигналы 0…5, 0…20 или 4…20 мА (искроопасная цепь).
Барьер искробезопасности передает токовый сигнал из взрывоопасной зоны во взрывобезопасную.
Встроенный импульсный источник питает входные и выходные цепи барьера. Наличие гальванической развязки цепей снимает необходимость заземления прибора.
Рисунок 1 — Работа барьера в штатном режиме
Барьер искрозащиты состоит из следующих узлов (рисунок 1):
Работа барьера при возникновении внештатной ситуации (попадания на вход барьера искроопасного напряжения) представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 — Работа барьера в аварийном режиме
При возникновении аварийной ситуации по выходной цепи или цепи питания (в данном примере попадание высокого напряжения по цепи питания) гальваническая развязка (трансформатор T и оптопара AD) препятствуют прохождению высокого напряжения в искробезопасную цепь.
При возникновении аварийной ситуации в блоках 6 и 4 шунт-диодный барьер искрозащиты препятствует передачи во взрывоопасную зону опасного напряжения. Принцип действия шунт-диодный барьера подробно изложен в здесь.
Модельный ряд барьеров искрозащиты с гальванической развязкой производства ООО «Энергия-Источник»
Искробезопасная цепь Ех
RS-422, RS-485
RS-422, RS-485
Наши специалисты по техподдержке готовы ответить на ваши вопросы и подобрать для вас барьер искробезопасности.
Обращайтесь по:
телефону (351) 751-23-42
Viber, WhatsApp: +7(922)011-41-53
ОВЕН ИСКРА: безопасность работы оборудования во взрывоопасных зонах
Барьеры искрозащиты обеспечивают безопасность работы приборов и датчиков, находящихся во взрывоопасных зонах. Применение барьеров искрозащиты совершенно необходимо на промышленных объектах, связанных с производством или применением нефтепродуктов и горючих газов. Возникновение искры или нагревание какого-либо элемента во взрывоопасной зоне может привести к взрыву или пожару. Поэтому при измерении температуры, давления и уровня сред в агрегатах, работающих в таких зонах, используют искробарьеры. Компания ОВЕН выпускает для этих целей барьер искрозащиты ИСКРА.
Назначение искробарьеров
Искробарьер защищает взрывоопасную зону от искр, которые могут возникнуть в электрической цепи датчика и вызвать воспламенение газа. Представим ситуацию: взрывоопасная зона — например газораспределительная станция (ГРС), где постоянно присутствует природный газ и существует опасность его утечки. Как известно, газ может взорваться в смеси с воздухом, если он составляет от 5 до 15 % объема смеси. Но это может произойти только в том случае, если возникнет искра, способная «поджечь» эту взрывоопасную смесь. Если энергии искры будет недостаточно, то взрыва не произойдет.
Постоянное удерживание энергии вероятной искры на уровне, недостаточном для воспламенения взрывоопасной смеси, достигается ограничением напряжения, тока, емкости и индуктивности в электрической цепи «датчик-прибор».
Что учитывать при выборе барьера искрозащиты
Существует несколько классов взрывоопасных зон и способы обеспечения взрывобезопасности оборудования. В этой статье мы рассмотрим только вид взрывозащиты «Искробезопасная цепь», как ее обеспечить и на что обратить особое внимание.
«Искробезопасная электрическая цепь i» — вид взрывозащиты оборудования, основанный на ограничении энергии искры, которая может возникнуть внутри оборудования или проводки, находящихся во взрывоопасной зоне. Требования к искробезопасному (ex ia) оборудованию и обеспечению искробезопасности всей системы описаны в ГОСТ 31610.11 (IEC 60079-11:2011).
Рисунок 1. Электрические параметры компонентов искробезопасной цепи
При подборе датчиков и искробарьеров необходимо учитывать следующие очень важные факторы. И у датчиков в искробезопасном исполнении, и у барьеров есть «свои» пороговые значения (рис. 1) напряжения (Ui, Uo), тока (Ii, Io), индуктивности (Li, Lo), емкости (Ci, Co). Они должны находиться между собой в определенных соотношениях (табл. 1). Соединительный кабель также имеет емкость и индуктивность, которую нужно учитывать (Lc, Cc).
Таблица 1. Условия искробезопасности цепи
Как видно из таблицы, напряжение и ток искробезопасного датчика должны быть выше соответствующих параметров искробарьера. В таком случае барьер гарантированно не введет датчик в опасный режим работы, при котором не гарантируется его взрывобезопасность.
При этом суммарные значения емкости и индуктивности связки «датчик+кабель» не должны превышать максимальных выходных параметров искробарьера. Это необходимо для гарантии того, что накопленная в реактивных компонентах энергия (катушки индуктивности, конденсаторы и т. п.) в случае короткого замыкания не вызовет искру, способную поджечь газовоздушную смесь.
Барьер искрозащиты ОВЕН ИСКРА.03
Искробарьеры могут быть трех уровней искробезопасности:
Также искробарьеры делятся на два больших класса: активные и пассивные. Преимущества пассивных искробарьеров: бюджетность, надежность, не требуют питания. К недостаткам пассивных барьеров следует отнести внесение дополнительной погрешности в показания датчиков, узкий диапазон питающих напряжений и выход из строя при выбросах напряжения питания (сгорает предохранитель).
ОВЕН ИСКРА.03 относится к пассивным искробарьерам и имеет класс взрывозащиты «ia», т. е. особо взрывобезопасный. «03» означает, что это уже третий релиз прибора: впервые барьер увидел свет в 2005 году. Он соответствует требованиям регламента Таможенного союза 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах». ИСКРА имеет маркировку взрывозащиты [Ex ia Ga] IIC (рис. 2).
Рисунок 2. Маркировка взрывозащиты искробарьера ИСКРА.03
ИСКРА обеспечивает очень высокий уровень защиты взрывоопасной зоны от искр, способных воспламенить горючий газ. Обратите внимание: барьер не предотвратит возникновение искры вообще. Но он обеспечит ее «безобидность» — ограничит энергию искры и не допустит взрыва смеси.
Прибор ограничивает напряжение и ток в цепи до искробезопасных значений при воздействии на барьер напряжения до 250 В (рис. 3).
Рисунок 3. Схема установки барьера ИСКРА
Как работает искрозащита
Пассивные или шунтдиодные искробарьеры конструктивно включают в себя так называемые диоды Зенера D (стабилитроны), сопротивления R, плавкие предохранители F. На рис. 4 приведена схема пассивного барьера искрозащиты. В качестве вторичного прибора показан измеритель с RS-485 ОВЕН ТРМ200.
Рисунок 4. Схема пассивного барьера искрозащиты
При возникновении опасной ситуации (например скачка напряжения на входе барьера) стабилитроны D открываются и проводят излишки напряжения на землю, предохранитель F защищает барьер от повреждения, резистор R ограничивает ток в цепи. Совместная работа этих элементов гарантирует невозможность превышения тока и напряжения в цепи выше Io и Uo. В конструкцию барьера могут быть заложены 1, 2 или 3 стабилитрона. Это напрямую влияет на его уровень искробезопасности.
Модификации ОВЕН ИСКРА.03
В мае 2020 года компания ОВЕН дополнила линейку барьеров искрозащиты прибором ИСКРА-СКх.03. Барьеры искрозащиты ИСКРА-СКх.03 обеспечивают надежное безопасное подключение сигнализаторов уровня ОВЕН ПДУ-Ех к вторичным устройствам.
Таблица 2. Выходные искробезопасные параметры ОВЕН ИСКРА.03
Сейчас существует четыре модификации ИСКРЫ (табл. 2) — каждая для работы с определенным типом датчиков:
Барьеры искробезопасности и устройства защиты от перенапряжений
АСУ ТП на предприятиях нефтехимической, химической и газовой промышленности оперируют информацией, собираемой, в основном, с объектов, расположенных в потенциально взрывоопасных средах. Следовательно, выбор высоконадежных и экономичных технических средств сбора информации, работающих в этих средах, является первоочередной задачей при проектировании автоматической системы управления (АСУ). Применение во взрывоопасных зонах каналов связи, оборудованных искробезопасными цепями (ИБЦ), является одним из необходимых путей обеспечения безопасности. Широкий спектр аппаратуры такого типа предлагают компании Phoenix Contact и Weidmueller.
Законодательствами всех промышленно развитых стран оговорены требования к АСУ ТП во взрывоопасных средах, и Россия в этом смысле – не исключение. Взрывоопасными они называются из-за наличия в них смесей (горючих газов и паров легковоспламеняющихся жидкостей – ЛВЖ), описываемых в ГОСТе 12.1.011-78, их частичный перечень указан в таблице 1.
Таблица 1. Концентрация газов и паров ЛВЖ с наибольшей опасностью воспламенения и значения БЭМЗ
| Газы и пары ЛВЖ | Концентрация с наибольшей опасностью воспламенения, % | БЭМЗ, мм | S100…S0, мм |
| Окись углерода | 40,8 | 0,94 | 0,03 |
| Метан | 8,2 | 1,14 | 0,11 |
| Пропан | 4,2 | 0,92 | 0,03 |
| Бутан | 3,2 | 0,98 | 0,02 |
| Пентан | 2,55 | 0,93 | 0,02 |
| Гексан | 2,5 | 0,93 | 0,02 |
| Гептан | 2,3 | 0,91 | 0,02 |
| n-Октан | 1,94 | 0,94 | 0,02 |
| Ацетон | 5,9/4,5 | (1,02) | – |
| Этилметилкетон | 4,8 | 0,92 | 0,02 |
| Этилацетат | 4,7 | 0,99 | 0,04 |
| Циклогексан | 90 | (0,94) | – |
| Амилацетат | 110 | (0,99) | – |
| Хлорвинил | 7,3 | 0,99 | 0,04 |
| Метиловый спирт | 11,0 | 0,92 | 0,03 |
| Этиловый спирт | 6,5 | 0,89 | 0,02 |
| Изобутанол | 105/123 | (0,96) | – |
| Пентанол | 100/100 | (0,99) | – |
| Аммиак | 24,5/17,0 | (3,17) | – |
| 1,3-бутадиен | 3,9 | 0,79 | 0,02 |
| Этилен | 6,5 | 0,65 | 0,02 |
| Диэтиловый эфир | 3,47 | 0,87 | 0,01 |
| Ацетилен | 3 | 0,37 | 0,01 |
| Водород | 27,0 | 0,29 | 0,01 |
| Сероуглерод | 8,5 | 0,34 | 0,02 |
| Диоксан | 4,75 | 0,70 | 0,02 |
| Изопентан | 2,45 | 0,98 | 0,02 |
| Хлорбутан | 3,9 | 1,06 | 0,04 |
| Диметиловый эфир | 7,0 | 0,84 | 0,06 |
| Пропилен | 4,8 | 0,91 | 0,02 |
| Ацетонитрил | 7,2 | 1,50 | 0,05 |
| 1, 2-дихлорэтан | 9,5 | 1,80 | 0,05 |
| Окись пропилена | 4,55 | 0,70 | 0,03 |
| Этан | 5,9 | 0,91 | 0,02 |
| Акрилонитрил | 7,1 | 0,87 | 0,02 |
| Метилакрилат | 5,6 | 0,85 | 0,02 |
| Гексанол | 3,0 | 0,94 | 0,06 |
| Этилакрилат | 4,3 | 0,86 | 0,04 |
| Цианистый водород | 18,4 | 0,80 | 0,02 |
| Винилацетат | 4,75 | 0,94 | 0,02 |
Для обеспечения искробезопасности в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями применяются барьеры искрозащиты – блоки в виде отдельного или встраиваемого электрооборудования. Искробезопасность достигается путем ограничения тока и напряжения на выходе или входе барьера, а также гальванической развязки искробезопасных и искроопасных электрических цепей.
На данный момент существуют различные типы барьеров: основанные на полупроводниковых элементах, например, барьеры искрозащиты, обеспечивающие гальваническое разделение искробезопасных и искроопасных цепей от силовой и сигнальной сетей переменного тока. Гальваническое разделение в данном случае реализуется путем применения оптронных или трансформаторных схем. Модули барьеров искрозащиты с гальваническим разделением разработаны с учетом использования в большинстве задач, связанных с обеспечением искробезопасности цепей сигнализации и управления. Они применяются для подключения оборудования, находящегося во взрывоопасной зоне, например, 2-, 3- или 4-проводных аналоговых датчиков, электропневматических преобразователей, электромагнитных клапанов.
Согласно ПУЭ, все электроустановки внутри промышленных зданий и заводов должны иметь защиту от перенапряжений, которые могут возникнуть, например, при ударе молнии. Только специально подобранные устройства смогут обеспечить полную защиту электротехнического оборудования с учетом особенностей производства, где оно применяется. Попытка сэкономить на этапе проектирования может привести к огромным потерям в процессе эксплуатации. Для того чтобы избежать этих рисков, необходимо убедиться в том, что устройства защиты от перенапряжения включены в проект. Это не только позволит гарантировать высокую надежность, но и значительно снизит потери от повреждения оборудования, вызванного ударом молнии или скачком напряжения [2].
Чтобы определиться с выбором защитных компонентов, приведем сравнение продукции двух немецких компаний мирового уровня – Phoenix Contact и Weidmueller. Сегодня эти компании являются ведущими производителями устройств обеспечения искрозащиты и защиты от перенапряжения, а наличие международных сертификатов качества говорит о высоком уровне разработок и возможности применять продукцию данных компаний по всему миру.
В качестве одного из примеров применения устройств искрозащиты возьмем резервуарное хранилище. От датчиков уровня в резервуаре до контрольно-измерительного щита обычно прокладывают кабельные трассы, иногда до 100 м длиной. Зона внутри резервуара, в связи с длительно находящейся там взрывоопасной средой, например, бензином, классифицируется как взрывоопасная зона 0. Из-за нечувствительности ко внешним вводам данные измерений передаются на контрольно-измерительный щит в виде токовой петли 4…20 мА. С целью предотвращения недопустимо высокой разности потенциалов заземляющего устройства сначала выравниваются потенциалы контрольно-измерительного щита и резервуара. Рассмотрим случай удара молнии силой 30 кА. В то время как половина тока уходит в землю, другая половина попадает непосредственно на установку. Таким образом, считаем, что через цепь выравнивания потенциалов на контрольно-измерительный щит попадает 15 кА. При площади поперечного сечения медного провода цепи выравнивания потенциалов, равной 95 мм², можно предположить, что омическое падение напряжения между контрольно-измерительным щитом и резервуаром будет равно примерно 270 В. В результате этого электрические цепи, соединяющие резервуар и контрольно-измерительный щит, вышли бы из строя. Избежать этого можно только путем применения устройств защиты от перенапряжения. При этом место установки устройства защиты от перенапряжения должно находиться настолько близко к вводу в зону 0, насколько это практически возможно. Но это расстояние должно быть не более 1 м. Соединительные линии между чувствительным элементом контрольно-измерительного щита и устройством защиты от перенапряжения должны быть выполнены с защитой от прямого воздействия молнии. Одним из способов такой защиты является прокладка линии в металлической трубе. Для защиты от перенапряжения головок датчиков рекомендуется применение устройств защиты от перенапряжения наподобие SURGETRAB, которые специально разработаны для этих целей. Они встраиваются непосредственно в линию и привинчиваются к кабельным вводам датчиков [2, 3].
Перенапряжения, обычно вызываемые коммутационными процессами, срабатыванием предохранителей, работой преобразователей частоты или воздействием молнии, являются важным фактором, когда речь идет о сохранении работоспособности и готовности электрооборудования к эксплуатации. Эти возмущения представляют собой импульсные помехи (переходные процессы), которые в течение нескольких микросекунд достигают многокиловольтовых амплитуд. При перенапряжениях возникает опасная разность потенциалов, которая, помимо прочего, вызывает ошибки в управлении, кратковременные сбои в работе или, в худшем случае, разрушение оборудования. Применение устройств защиты от перенапряжения (Surge Protective Device, SPD) позволяет ограничить эту разность потенциалов до безопасного уровня. Для недопущения опасной разности потенциалов в связи с перенапряжениями, устройства защиты во взрывоопасных зонах должны отвечать нормативным требованиям.
Для обеспечения прочности изоляции относительно земли при переходных процессах достаточно использовать газонаполненный разрядник, а для защиты от пробоя между жилами требуется дополнительно использовать защитные ограничительные диоды или варисторы в качестве тонкой защиты. Эти полупроводниковые элементы отличаются очень быстрым временем срабатывания при переходных процессах и узким диапазоном ограничения напряжения. При этом величина отводимого импульсного тока для них составляет лишь несколько сотен ампер. Исходя из этого, здесь следует обратить внимание на применение многоступенчатых устройств защиты от перенапряжения. На практике целесообразно еще на месте монтажа решить, будет ли экран соединен с землей напрямую или через газонаполненный разрядник [3].
Контроль над технологическим процессом осуществляется путем измерения во взрывоопасных зонах таких параметров как давление, температура, расход, влажность, значения рН и так далее. Для передачи их значений в систему управления используются барьеры искрозащиты, которые гарантируют ограничение мощности передаваемого сигнала с одной стороны и преобразуют измеряемую величину в электрический сигнал 4…20 мA, который преобладает в области автоматизации ТП и стандартизирован в МЭК 60381-1. Кроме того, токовый сигнал имеет такие преимущества как низкая чувствительность к наводкам, отсутствие погрешности, вызванной сопротивлением в длинных кабельных линиях, а также позволяет контролировать целостность цепи измерения, короткое замыкание или выход за заданный диапазон измерений. Модулированный цифровой сигнал протокола HART накладывается на аналоговый сигнал 4…20 мА и позволяет дополнительно передавать диагностическую информацию о полевых устройствах, осуществлять их настройку и конфигурирование. В результате преимущества, связанные с возможностью диагностики и цифровой обработки сигналов благодаря использованию HART-протокола, дополняют преимущества традиционной технологии 4…20 мА. По этой причине использование передачи данных по протоколу HART в непрерывных производствах продолжает расти. Большинство доступных сегодня аналоговых исполнительных механизмов и датчиков совместимы с HART, и многие из них предназначены для двухпроводной схемы подключения [1].
Обзор продукции Phoenix Contact
Компания Phoenix Contact предлагает широкую номенклатуру барьеров серии MACX MCR Ex, (например, 2865463 MACX MCR-EX-SL-NAM-2T для дискретных датчиков) для искрозащиты. Надежность и качество оборудования Phoenix Contact обеспечивают бесперебойную работу систем управления и контроля в сложных климатических условиях, а стойкость к воздействию агрессивных сред и взрывозащищенность оборудования позволяют успешно использовать его на предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленностей.
Многие продукты Phoenix Contact стали стандартом для отраслевых решений.
Phoenix Contact производит только активные (изолирующие) барьеры искрозащиты. Пассивные барьеры, или барьеры на основе диодов Зенера обычно обладают более низкой ценой по сравнению с активными, однако имеют ряд недостатков, а именно:
Одна из последних новинок модулей Phoenix Contact серии Ex i это новые преобразователи 4…20 мА – например, 2865340 MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I, имеющие функцию повторителя питания и поддержку HART-протокола (рисунок 1).
Рис. 1. Барьеры искрозащиты серии MACX MCR Ex
Традиционно схема подключения аналоговых и дискретных сигналов «точка-точка» остается наиболее популярной и продолжает использоваться в новых системах. У этой схемы множество преимуществ, включая простоту при вводе в эксплуатацию и обслуживании в процессе работы, высокую точность и надежность, быструю обработку контролируемых сигналов. Надежность особенно важна для приложений с повышенными требованиями к безопасности. Такие свойства как поддержка связи HART-протокола (рисунок 2), диагностика обрыва или короткого замыкания каналов дискретных сигналов, компактные размеры и возможность быстрого подключения позволяют соответствовать существующим и будущим требованиям для обеспечения высокой бесперебойности работы системы.
Рис. 2. Пример использования данных, передаваемых по HART-протоколу с использованием HART-
мультиплексора
Радиомодули в беспроводной сети могут объединять до 250 станций и позволяют реализовать любую сетевую топологию, начиная от простейшего соединения «точка-точка» до самоорганизующейся сети MESH с ячеистой топологией. Любой модуль беспроводной сети может быть настроен как ведущий (master), повторитель (repeater) или ведомый (slave).
Обеспечение искрозащиты необходимо в разных типах электрических систем. Приборы производства компании Phoenix Contact отличаются компактными размерами, поэтому занимают совсем немного места в распределительном шкафу и легко монтируются на DIN-рейку. Более подробную информацию о продукции Phoenix Contact можно получить на их официальном сайте https://www.phoenixcontact.com или на русскоязычном сайте http://www.phoenixcontact-online.ru, а также у дистрибьютора – компании КОМПЭЛ.
Обзор продукции Weidmueller
Компания Weidmueller, также как Phoenix Contact, выпускает множество устройств для работы в условиях агрессивных сред, тяжелых климатических условий, плохого качества электроэнергии.
Универсальный измеритель и преобразователь сигналов
Универсальные измерительные преобразователи и преобразователи сигнала с гальванической развязкой для работы во взрывоопасных зонах, например, 8965490000 ACT20X HUI-SAO-S/SAO-LP, предоставляют возможность индивидуального конфигурирования каждого прибора. Возможна регистрация температурных сигналов от датчиков PT100 (8975690000) и термопар (8432310000), а также аналоговых DC-сигналов по току и напряжению из взрывоопасной зоны Ex 0. На выход, по выбору пользователя, выдаются сигналы по напряжению или сигналы 0…20 мА (например, 8965430000) токовой петли для безопасной зоны.
ACT20X-HUI-SAO-S дополнительно имеет релейный выход, для которого можно конфигурировать порог переключения. Встроенный контакт аварийной сигнализации в этом устройстве при неисправности выдает сообщение о состоянии, которое позволяет произвести быструю идентификацию ошибки и, следовательно, повышает эксплуатационную готовность установки. Электропитание преобразователей сигналов с гальванической развязкой осуществляется через встроенный блок питания от сети (SAO-S) или как альтернатива – через токовую петлю с выходной стороны (SAO-LP).
Датчики температуры
Измерительные преобразователи ACT20X-HTI-SAO/2HTI-2SAO (например, 8965480000) регистрируют температуру от датчиков RTD (Pt10…Pt1000, Ni50…Ni1000) и термопар (B, E, J, K, N, R, S, T) из взрывоопасной зоны Ex 0. Дополнительно со стороны входа можно подключить токовые петли 0/4…20 мА. На выходе доступны активные и пассивные токовые петли для безопасной области. Встроенные контакты аварийной сигнализации при неисправности выдают дискретный сигнал на верхний уровень, позволяя произвести быструю идентификацию ошибки и, следовательно, вовремя среагировать. Модули, поставляющиеся в одно- или двухканальном исполнении, устанавливаются на монтажную рейку с гальванической развязкой выходного сигнала по току.
Разделитель тока
Разделители тока, или, как их еще называют, разъединители питания ACT20X-HAI-SAO/2HAI-2SAO (например, 8965440000) передают сигналы 4…20 мА из взрывоопасной зоны Ex 0 в безопасную область. С помощью этих устройств возможна подача питания внешним датчикам. Встроенные контакты аварийной сигнализации при неисправности выдают сообщение о состоянии, которое позволяет произвести быструю идентификацию ошибки и, следовательно, повышает эксплуатационную готовность установки. Устанавливаемые на монтажную рейку модули разделителя тока, по выбору, поставляются в одно- или двухканальном исполнении. Присутствует поддержка протокола HART.
Преобразователь выходного тока
Модули с гальванической развязкой выходных сигналов по току ACT20X-SAI-HAO/2SAI-2HAO (например, 8965460000) предназначены для управления устройствами полевого уровня во взрывоопасных зонах до Ex 0 (рисунок 3). Присутствует поддержка протокола HART, сопряжение сигналов со входной и выходной стороны выполняется через токовые петли 4…20 мА. Встроенные контакты аварийной сигнализации при неисправности выдают сообщение о состоянии, которое позволяет произвести быструю идентификацию ошибки.
Рис. 3. Барьер искрозащиты (Ex i) шириной 12,5 мм с функцией передачи питания к пассивным
датчикам
Коммутирующий усилитель с гальванической развязкой NAMUR
Коммутирующие усилители с гальванической развязкой и релейным выходом ACT20X-2HDI-2SDO-RNC-S (8965380000) специально предназначены для регистрации сигналов датчиков NAMUR или цифровых коммутирующих сигналов из взрывоопасной зоны Ex 0. Коммутационные реле, по выбору – с нормально разомкнутым или замкнутым контактом, поставляют выходные сигналы для безопасной области. Встроенные контакты аварийной сигнализации в случае неисправности выдают сообщения о состоянии, которые позволяют произвести быструю идентификацию ошибки.
Коммутирующие усилители с гальванической развязкой и транзисторным выходом ACT20X-HDI-SDO-RNO-S (8965340000) также предназначены для регистрации сигналов датчиков NAMUR или цифровых коммутирующих сигналов из взрывоопасной зоны Ex 0. Через соединенные с «минусом» транзисторные выходы (NPN) сигналы предоставляются приложениям в безопасной зоне. Данные изделия также имеют встроенные контакты аварийной сигнализации.
В модулях управления клапанами ACT20X-SDI-HDO-H-S (8965410000) управление осуществляется со входной стороны с помощью коммутирующих сигналов (NPN, PNP) из безопасной области и предоставляются цифровые выходы для коммутации исполнительных механизмов: электромагнитных клапанов и датчиков аварийной сигнализации во взрывоопасной зоне Ex 0.
Выходной ток ограничен до 35 мА или 60 мА (только один канал) для групп взрывозащиты по энергии поджига IIC/IIB. Встроенные контакты аварийной сигнализации при неисправности выдают сообщение о состоянии, которое позволяет произвести быструю идентификацию ошибки [4].
Контрольно-измерительные приборы (КИП)
ACT20X — это семейство преобразователей сигналов для взрывоопасных зон. Благодаря ширине 11 мм на канал этим компактным устройствам требуется мало места в электрощите. Данные преобразователи сигналов были разработаны специально для систем автоматизации технических процессов во взрывоопасных зонах.
Эти преобразователи обрабатывают все стандартные входные сигналы (двухпроводные HART, NAMUR, RTD, сигналы с термопар, сигналы постоянного тока) из взрывоопасной зоны Ex 0 или обеспечивают прием цифровых и аналоговых сигналов от датчиков и управление исполнительными механизмами во взрывоопасных зонах.
Сообщения об отказах и ошибках могут отправляться через встроенные релейные выходы. Это помогает быстро выявлять ошибки и повышает эксплуатационную стойкость системы.
С помощью конфигурационного программного обеспечения WI-Manager на базе технологии FDT (инструментарий настройки полевых устройств), устройства ACT20X можно настраивать индивидуально на ПК для различных технологических систем. Компания Weidmueller поставляет специальные диспетчеры типов устройств (Device Type Managers, DTM), которые могут работать в любой оболочке на базе FDT.
Перейдем к обзору устройств от Weidmueller для защиты от перенапряжения и грозозащиты
Двухкомпонентная система защиты серии VSPC series
VARITECTOR SPC, например, модель 8924470000, отличается вставным разрядником, который легко можно заменять или проверять без повторного монтажа электропроводки. Испытательное устройство V-TEST обеспечивает удобное соблюдение интервалов техобслуживания. Защелкивающееся основание VSPC BASE позволяет легко выполнить монтаж с одновременным созданием контакта защитного заземления через монтажную рейку. Благодаря простоте эксплуатации и высокой плотности упаковки, VSPC обеспечивает высококачественную защиту от перенапряжения для всех контрольно-измерительных сигналов. Цветовая маркировка напряжения позволяет обслуживающему персоналу быстро идентифицировать модуль в электрощите.
Данная линейка продукции также отличается полным ассортиментом аксессуаров, таких как V-GROUND для заземления всех сигналов с датчиков или разъем V-TEST для измерений в электроцепях. Фиксирующий зажим VSPC закрепляет вставной разрядник на основании, позволяя противостоять даже экстремальным нагрузкам. Модули контроля VSPC R имеют встроенную функцию выдачи сообщений, контролируемую с модуля управления VSPC CONTROL UNIT. Общая высота базового элемента со вставленным в него разрядником составляет 69 мм.
Системы питания
Изделия для защиты от перенапряжения VPU I (тип I), VPU II (тип II) и VPU III (тип III) производства компании Weidmueller эффективно уменьшают помехи, возникающие при выбросах напряжения, предписанных координацией изоляции по стандарту EN 60664-3/DIN VDE 0110-3. Это означает уменьшение риска возникновения неисправности во всей системе.
Согласование разрядников достигается техническими средствами, то есть нет необходимости в развязке между классами I, II и III. Разрядники прошли испытание согласно стандартам продукции IEC61643-11:2012/DIN EN 61643-11:2012 и могут быть установлены в системах в соответствии с IEC 61643-12/VDE V0675-6-12 и IEC 62305-4/VDE 0185-4. Система молниеотвода и защита от перенапряжения прибора пригодны для установки в комплексы подачи электропитания. Компания Weidmueller предлагает разнообразную продукцию для различных типов сети и уровней напряжения. Даже для фотоэлектрических устройств в наличии – специальная защита, соответствующая EN 50539-11/VDE 0675-39-11:2010.
Интерфейсы передачи данных
Передача данных предполагает передачу знаков, цифр, параметров, измеряемых величин между различными децентрализованными узлами. Децентрализованными узлами являются, например, устройства управления, компьютеры, чувствительные элементы, исполнительные устройства и многие другие. Это чувствительное оборудование требует соответствующей защиты от перенапряжения. Например, Weidmueller изготавливает средства защиты для кабелей M8/M12 в корпусе IP68, одно- и трехступенчатое устройство защиты от перенапряжения в корпусе IP68 для Ethernet категорий 5 и 6, устройства для защиты аналоговых и цифровых сигналов, а также устройства для подавления импульсных помех.
Счетчик импульсов
Чтобы эффективно защитить устройства и системы от повреждений, вызванных молниями и перенапряжением, целесообразно знать, насколько высока нагрузка, предлагаемая в защитных элементах. Счетчик импульсов VARITECTOR LOGGER 30 (1428780000) производства компании Weidmueller регистрирует импульсы тока, которые отводятся от устройств защиты от перенапряжений с помощью заземленного провода. Он надежно измеряет нагрузку защитных элементов. Измерение обеспечивает оптимальное тестирование и настройку защитной системы и идеально дополняет тип II и III оборудования VPU для защиты от перенапряжений.
Универсальные решения завершают ассортимент устройств защиты от перенапряжения. Например, с этой задачей отлично справляется универсальное измерительное устройство V-TEST, используемое для проверки функционирования вставных разрядников, таких как VSPC, а также широкий спектр принадлежностей ЭМС для оптимального соединения экрана диаметром 3…6 мм в серии VARITECTOR.
Заключение
Вполне возможно, что защита оборудования может никогда и не понадобиться, но, применяя блоки защиты оборудования, можно предотвратить связанные с выходом его из строя финансовые убытки, а иногда – и катастрофические последствия. Продукция компаний PhoenixContact и Weidmueller обеспечивает отличное качество искрозащиты и защиты от перенапряжений.