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    電氣人知道什么是安全柵嗎?它都有哪些種類和應用?

    2020-12-05  金玉滿堂j...

    近幾年來,隨著中國煉化一體化進程的推進,石油煉化廠、化工廠越來越多。由于石油及其相關產品大多具有易燃易爆特性,所以一定要使用安全、有利的防爆方法,以確保安全。安全柵作為本安電氣設備與非本安電氣設備之間連接的電氣設備,能夠有效地提高石油化工企業生產過程中的安全性。

    儀表安全原理與本質安全技術

    儀表安全原理(Instrument Safety Principle

    當易爆物質、氧氣、引爆源這三種情況同時出現時,就會引起爆炸。如果我們能消除任意一個爆炸形成的條件,就能保障現場儀表設備的安全。空氣中的氧氣無法控制,因此控制易爆物質和控制引爆源是目前較為常用的安全原理。在儀表行業,控制爆炸范圍也被列為常用的安全原理。 安全柵能夠限制現場儀表的電能量,使其無法產生能夠引爆的火花和引爆的儀表表面溫度。本質安全技術能夠消除隱患,保證現場的安全。

    危險區域危險性的分類、分級、分組(TITLE CONTENT)

    爆炸性氣體分類見下表:

    危險氣體場所劃分為3個不同的區域,見下表:

    爆炸性氣體的溫度組別見下表:

    安全柵的作用

    本質安全(IS)是儀表系統采用的防爆技術,安全柵設置在安全區域的控制室設備與危險區域的本安設備之間,傳輸信號或能量。安全柵利用電路限流限壓,從而約束安全區域傳遞能量給危險區域設備。處于危險場所的本安設備在這樣的能量下能夠正常工作,但這樣的能量不足以引燃爆炸環境,即使本安設備自身發生故障,也不會產生任何足以引燃的電火花或發熱表面。因此,無論是安全場所的控制室設備還是危險場所的本安設備發生故障,只要安全柵的限流限壓電路正常工作,整個系統都會處于安全狀態,不會產生爆炸。

    安全柵的種類

    安全柵分為齊納式安全柵和隔離式安全柵兩類。齊納式安全柵是最早出現的安全柵。它的核心元件是齊納二極管,限流電阻及快速熔斷絲,原理圖如下圖所示:

    齊納式安全柵原理圖

    齊納管電流簡單,在現場使用時容易出現系統電源波動、干擾,導致設備損壞,并且由于其需要本安接地,因此在實際應用中較少。

    隔離式安全柵不僅能夠限壓限流,還能電流隔離。隔離室安全柵主要由限能單元、信號及電源隔離單元、信號處理單元組成,基本功能電路如下圖所示。

    隔離式安全柵原理圖

    與齊納式安全柵相比,隔離式安全柵在性能上大大優于齊納式安全柵:

    ①采取三方隔離方式,不需使用隔離式儀表;

    ②降低危險區的儀表要求,現場不需使用隔離式儀表;

    ③運行過程中穩定性和抗干擾能力大大增強,使整個系統的可靠性大幅提高;

    ④有強大的信號處理能力,可以接受并處理多種信號,例如熱電偶、熱電阻、頻率等信號;

    ⑤為同一信號源的兩臺設備提供兩路相互隔離的信號,并且兩設備信號無干擾,同時所連接設備互相之間的電氣安全絕緣性能也有所提高。

    1齊納式安全柵

    齊納式安全柵的核心元件為齊納二極管,限流電阻及快速熔斷絲。它的原理簡單、電路實現容易,價格低廉,但因由于其自身原理的缺陷使其應用中的可靠性受到很大影響,并限制了其應用范圍,其原因如下:

    (1)安裝位置必須有非常可靠的接地系統,并且該齊納式安全柵的接地電阻必須小于1Ω,否則便失去防爆安全保護性能,顯然這樣的要求是十分苛刻并在實際工程應用中難以保證。 

    (2)齊納式安全柵對電源影響較大,同時也易因電源的波動而造成齊納式安全柵的損壞。

    齊納管用于限制電壓。與齊納安全柵相比,隔離式安全柵除具有限壓與限流作用之外,還帶有電流隔離的功能。

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    隔離式安全柵

    隔離式安全柵主要由回路限能單元,信號和電源隔離單元、信號處理單元組成。它不但有限能的功能,還有隔離功能,隔離式安全柵,基本有檢測端安全柵和操作端安全柵兩種類型。

    檢測端安全柵與兩線制變送器配套使用;由于隔離式安全柵采用了限壓、限流、隔離等措施,不僅能防止危險能量從本安端子進入危險現場,提高系統的本安防爆性能,而且還增加了系統的抗干擾能力,大大提高了系統運行的可靠性。

    24VDC 電源經DC-AC-DC變換后,輸出模塊電路所需要的多種電壓。

    (1)檢測端隔離式安全柵的原理

    模塊電路將通過本安能量限制電路輸入的電流或電壓信號轉變為0.2-1VDC后,送入模塊內進行采集、放大、運算和進行抗干擾處理后,再經變壓器調制成輸出隔離的電流和電壓信號,供后面的二次儀表或其它儀表使用。模塊還需輸出一個隔離的18.5∽28.5VDC電壓,通過本安能量限制電路做為供給兩線制變送器的工作電壓。本安能量限制電路能限制大電流或高電壓的危險信號竄入危險現場。

    (2)操作端隔離式安全柵的原理

    將調節器或操作器輸出的4-20mA DC信號隔離后再輸出4-20mA DC 的信號,通過本安能量限制電路供給電氣轉換器或現場的電氣閥門定位器使用。

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    底板式安全柵

    底板式安全柵,是在導軌式安全柵基礎上,針對大系統的裝配、維護難點而設計的,是安全柵結構形式的變革。底板式安全柵在結構上實現了快速裝拆設計,通過專用的集成底板對安全柵進行供電,與控制系統連接的內部信號通過集成插接器件,使用預制電纜進行信號傳遞,實現了盤間連線的快速連接,大幅度提高了系統安全性能。

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    導軌式安全柵轉接板

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    選擇底板式安全柵的應用優點

    1、檢查信號過程無需拆線,避免誤拆、誤觸、誤接避免維修引發生產事故。

    2、解決一體化省配線產品檢測難題,快速排除故障,提升檢修效率。

    3、支持AI AO DI DO 各種類型,支持安全柵、隔離器、繼電器、直連四大傳輸模式,支持主流品牌DCS PLC 控制系統,支持主流品牌安全柵隔離器互換。

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    選擇隔離式安全柵的應用優點

    隔離式安全柵與齊納式安全柵相比,雖然價格要高一些,但是它許多優點和特點還是給用戶帶來許多方便,使越來越多用戶偏向選擇隔離式安全柵。

    (1)使用隔離式安全柵,可以將危險區的現場回路信號和安全區回路信號有效隔離。這樣本安自控系統不需要本安接地系統,簡化了本安防爆系統應用時的施工。

    (2)使用隔離式安全柵,大大增強了檢測和控制回路的抗干擾能力,提高系統可靠性。

    (3)使用隔離式安全柵,允許現場儀表接地,允許現場儀表為非隔離型的。

    (4)隔離式安全柵有許多保護功能電路,意外損壞的可能性較小,允許現場儀表帶電檢修,這樣可縮短工程開車準備時間和減少停車時間。

    (5)隔離式安全柵有較強的信號處理能力。如開關量輸入狀態控制、mV、Pt100變為4~20mA等等。這樣給現場儀表和控制系統的應用提供了更大的方便、合理和有效性。

    (6)當用戶同時應用DCS和ESD時,選用一進二出的安全柵,可以有效地將兩個系統隔離開來,避免系統之間互相影響。

    (7)回路供電隔離式安全柵既保持有源隔離式安全柵的優點,又有齊納式安全柵一樣的接線方便,不需要另外24V電源供電,特別適合配I/O卡直接供電的DCS系統。

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    安全柵常見故障的處理方法

    1.電源指示燈不亮或液晶不顯示

    (1)檢查儀表供電電源接入是否正確可靠。 

    (2)檢查供電電壓是否正常。

    (3)檢查24V電源正負是否接反。 

    2.輸出無信號

    (1)輸入信號是否已正確接入輸入端子。 

    (2)輸入信號類型是否與儀表輸入類型一致。 

    (3)輸出接線端子是否緊固。 

    (4)可拆卸的外部接線端子是否插接到位。 

    (5)外部輸出回路開路。

    3.輸出值偏差大 

    (1)熱電偶輸入時正、負引線是否接反。 

    (2)熱電阻輸入時三線接法是否正確。 

    (3)輸出接線的正、負極性是否接反。 

    (4)電流輸出時,外接負載電阻總和是否大于規定的歐姆(4-20mA輸出時)。 

    (5)電壓輸出時,外接負載電阻是否小于500千歐姆。 

    (6)電源電壓過低。 

    4.輸出信號不穩定 

    (1)檢查接線是否牢固。 

    (2)檢查輸入信號是否穩定。 

    (3)檢查輸出回路接線是否可靠。 

    (4)檢查儀表周圍環境是否有大功率的電磁設備。

    安全柵在儀表中的應用在石油化工生產過程中,需要利用現場儀表對壓力、溫度、流量、液位等方面的進行監測,以此保障生產能夠正常順利地進行。安全柵作為儀表控制系統的安全保持器,它需要接收并處理來自危險區的信號,并傳送給安全區或危險區處理后的安全信號。

    盡管現場儀表信號類型各不相同,但是從整體而言,基本上可以分為兩種:輸入安全柵和輸出安全柵。輸入安全柵主要根據標準4~20mA信號/1~5V信號、熱電阻和熱電偶信號、開關量信號、通信信號、交流信號和其他非標準信號等幾種類型信號進行設計;

    輸出型安全柵主要根據標準 4~20mA信號/1~5V信號、開關量輸出信號、通信信號等幾種類型信號進行設計。在生產設計中,模擬量輸入安全柵和模擬量輸出安全柵被廣大設計人員接受并運用在工程中。模擬量輸入安全柵通常與2線制、3線制變送器或4~20mA信號結合使用,模擬量輸出安全柵通常與調節閥結合使用。隔離式安全柵的運用,在很大程度上提高了儀表系統的穩定性。它把適合的電量提供給現場儀表閥門,同時又把由儀表閥門輸出的4~20mA DC電流信號隔離轉換成DC電流信號或DC電壓信號后輸出,提供給儀表閥門。

    安全柵在石油化工生產技術應用中的注意要點

    從目前來看,本安系統已被當作設計標準,為各個領域所應用。在生產中,安全柵選型要符合現場需求,在使用過程中還要注意以下問題,這樣才能達到預期效果。

    01關于防爆

    安全柵需要滿足現場所需的防爆等級要求,確保電纜及現場設備的蓄能,以保障電纜和現場設備的容抗和感抗功能。

    02關于接地

    齊納安全柵安裝時,需要有非常可靠的接地系統,并且其接地電阻必須小于1歐姆。

    03關于儀表

    根據現場儀表信號類型選擇適合的安全柵。

    04關于電纜

    本安系統設備需要使用本安電纜,在電纜敷設時本安電纜應與非本安電纜分開敷設。并且要做標識牌。

    近幾年來,隨著中國煉化一體化進程的推進,石油煉化廠、化工廠越來越多。由于石油及其相關產品大多具有易燃易爆特性,所以一定要使用安全、有利的防爆方法,以確保安全。安全柵作為本安電氣設備與非本安電氣設備之間連接的電氣設備,能夠有效地提高石油化工企業生產過程中的安全性。

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