西门子SIMATIC系统在安全防爆场所的应用

1. 前言

　　化工生产过程中相当大的一部分场所为具有爆炸危险性气体存在的危险场所，自动控制系统在这类场合下的应用一定要遵从符合防爆安全技术规范。在爆炸危险区内本质安全防爆（Ex-i）方式是自控设计者经常使用的方法，本安防爆在过程控制系统工程设计、施工、工程造价以及可操作性和维护性等方面相对于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明显的优越性。

　　西门子的全集成一体化控制系统在危险区的本安防爆应用方式上具有很大的灵活性。具有大量安全防爆产品可供用户设计成为满足不同要求的本安防爆系统，极大的方便了用户的选择和应用，用户可以根据自己的实际情况和资金情况涉及建立最符合自己要求的防爆控制系统。

　　本文就西门子防爆系统的几种应用方式进行了探讨和总结，以求对防爆用户的设计应用有所帮助启发。

2. 爆炸性危险场所的划分

　　在危险场所中安全地使用爆炸性环境用电气设备的前题条件是合理的选择、正确的安装和考虑系统日常生产运行时必要的维护。因此应根据其使用所在的危险场所的性质来合理的选择防爆电气设备。

　　危险场所就是由于存在着易燃易爆性气体、蒸气、液体、可燃性粉尘或者可燃性纤维而具有引起火灾或者爆炸危险的场所。典型的危险场所，如石油化工行业中爆炸性物质的生产、加工和贮存过程中所形成的环境。对爆炸性气体环境，按场所中危险物质存在时间的长短，将爆炸性气体环境危险区域划分为三个区，即分为Ex.Zone0区、Ex.Zone1区和Ex.Zone2区。

　　Ex.Zone0区：连续出现或长期出现爆炸性气体混和物的环境。

　　Ex.Zone1区：在正常运行时可能出现爆炸性气体混和物的环境。

　　Ex.Zone2区：在正常运行时不可能出现爆炸性气体混和物的环境或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混和物的环境。

　　在工程实践中，Ex.Zone0区一般只存在于密闭的容器、贮罐等内部气体空间，在实际设计过程中Ex.Zone1区也很少存在，大多数情况属于Ex.Zone2区。

　　为实现电气设备防爆，工程上采取了多种防爆技术方法，并通过防爆认证，构成防爆电气设备，用来防止爆炸危险性环境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正压、充油、充砂、无火花型等形式的防爆电气设备。对于自控系统来说，最常见的是隔爆和本安两种防爆技术方法。本安防爆技术又具有很多优点，如本质安全，结构简单，可带电检修等，在过程仪表自控系统中是第一选择。

　　本质安全型电气设备是从限制电路中的能量入手，通过可靠的控制电路参数设计，将潜在的电火花能量降低到可点燃规定的气体混合物能量以下，导线及元件、壳体表面的发热温度也限制在规定的气体混合物的点燃温度之下。本质安全防爆型式的设备内部，所有电路都是由在标准规定条件（包括正常工作和规定的故障条件）下，产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的本质安全电路。它又分为“ia”、“ib”两个等级， “ia”等级电气设备，是正常工作和施加一个故障和任意组合的两个故障条件下，均不能引起点燃的本质安全型电气设备；“ib”等级电气设备，是正常工作和施加一个故障条件下，不能引起点燃的本质安全型电气设备（参见GB38364标准）。本安防爆形式因对能量有严格的限制，因此只能应用于弱电设备中，设备其中Ex-ia设备适用于Ex.Zone 0、1、2区或Ex-ib设备适用于Ex.Zone 1、2区。本安防爆设备可以在带电情况下进行检修和校准，因此尤其适合过程自控系统应用。

　　本安防爆技术的优点和特点使得其在过程自动控制领域获得了越来越广泛的应用，本文将以自控系统的本安应用作为重点进行讨论。

3. 西门子SIMATIC系统在安全防爆场所的几种应用解决方案

　　由于近年西门子全集成自动化（TIA）理念在西门子系统中的推广和应用，西门子SIMATIC系统尤其PCS 7系统中增添了许多可供用户选择的丰富的安全防爆系统解决方案，大大加强了其在安全防爆领域的应用能力。而且由于本质安全型现场总线PROFIBUS-PA的推广应用，日臻成熟，为解决传统的安全防爆系统设计提供了更灵活、可靠的解决方案。本文主要介绍以西门子SIMATIC系统为核心构架完成一个安全防爆系统的几种典型解决方案。

　　（1）从点对点接线到点对点接线（Point to Point）解决方案

　　即传统DCS/PLC+安全栅方案，见图1所示。这类本安防爆接口以隔离式和齐纳式安全栅为代表。应用特点是本安防爆现场仪表以点对点的接线方式通过电缆接至安全区控制柜内的安全栅，安全栅再以点对点的接线方式接至控制系统（DCS／PLC）的通用I/O卡。这是传统的本安防爆接口技术。

　　（2）本安防爆I/O卡板解决方案

本安防爆I/O卡