1.       前言

化工生產(chǎn)過(guò)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(guò)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。

西門子的全集成一體化控制系統(tǒng)在危險(xiǎn)區(qū)的本安防爆應(yīng)用方式上具有很大的靈活性,。具有大量安全防爆產(chǎn)品可供用戶設(shè)計(jì)成為滿足不同要求的本安防爆系統(tǒng),，極大的方便了用戶的選擇和應(yīng)用，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)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(tǒng),。

本文就西門子防爆系統(tǒng)的幾種應(yīng)用方式進(jìn)行了探討和總結(jié),，以求對(duì)防爆用戶的設(shè)計(jì)應(yīng)用有所幫助啟發(fā)。

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(guò)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Ex.Zone0區(qū)、Ex.Zone1區(qū)和Ex.Zone2區(qū),。

Ex.Zone0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,。

Ex.Zone1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。

Ex.Zone2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,。

在工程實(shí)踐中,，Ex.Zone0區(qū)一般只存在于密閉的容器、貯罐等內(nèi)部氣體空間,，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中Ex.Zone1區(qū)也很少存在,，大多數(shù)情況屬于Ex.Zone2區(qū)。

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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(jiàn)GB38364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Ex-ia設(shè)備適用于Ex.Zone 0,、1,、2區(qū)或Ex-ib設(shè)備適用于Ex.Zone 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(guò)程自控系統(tǒng)應(yīng)用,。

本安防爆技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)使得其在過(guò)程自動(dòng)控制領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，本文將以自控系統(tǒng)的本安應(yīng)用作為重點(diǎn)進(jìn)行討論,。

3.       西門子SIMATIC系統(tǒng)在安全防爆場(chǎng)所的幾種應(yīng)用解決方案

由于近年西門子全集成自動(dòng)化（TIA）理念在西門子系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用,，西門子SIMATIC系統(tǒng)尤其PCS 7系統(tǒng)中增添了許多可供用戶選擇的豐富的安全防爆系統(tǒng)解決方案，大大加強(qiáng)了其在安全防爆領(lǐng)域的應(yīng)用能力,。而且由于本質(zhì)安全型現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-PA的推廣應(yīng)用,，日臻成熟，為解決傳統(tǒng)的安全防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)為核心構(gòu)架完成一個(gè)安全防爆系統(tǒng)的幾種典型解決方案。

(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+安全柵方案,，見(jiàn)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(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(guò)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)的通用I/O卡,。這是傳統(tǒng)的本安防爆接口技術(shù)。

(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(chǔ)上增加本安電路,，使之成為本安防爆卡板,，可直接與現(xiàn)場(chǎng)兩線制本安儀表相連接，省卻安全柵環(huán)節(jié),，構(gòu)成本安防爆控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖2所示,。其本質(zhì)與DCS/PLC+安全柵方案相同,，但是減少了安全柵環(huán)節(jié)，節(jié)省了線路連接點(diǎn),，因此能夠降低系統(tǒng)的故障點(diǎn),。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(jí)為Ex-ibIIC,，可以掛接Ex.Zone1區(qū)內(nèi)的本安儀表,。由于本安防爆卡板使用了集成安全柵技術(shù),，減少了隔離式和齊納式安全柵的使用,，因此結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)約了空間和費(fèi)用,。

圖1：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(xiàn)場(chǎng)總線解決方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全防爆構(gòu)想模型簡(jiǎn)稱FISCO,。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線以本質(zhì)安全方式安裝使用在Ex-區(qū)成為可能,，以經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方式解決了現(xiàn)場(chǎng)總線的防爆應(yīng)用問(wèn)題。FISCO適用于Ex-iaIIC級(jí)別的本安防爆方式,。PROFIBUS-PA總線既能實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊（31.25kbps）,，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)所掛接現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的本安供電。西門子PROFIBUS-PA總線防爆系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)總線儀表構(gòu)成,。Bus to Bus方式的應(yīng)用特點(diǎn)是智能現(xiàn)場(chǎng)總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上,，經(jīng)過(guò)上述產(chǎn)品，仍以現(xiàn)場(chǎng)總線方式接至控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡,。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)鏈路用一條雙絞電纜即可構(gòu)成,。

其特點(diǎn)是：直接用于危險(xiǎn)區(qū)域中的現(xiàn)場(chǎng)總線不僅節(jié)省了大量的布線成本，而且也節(jié)約了許多傳統(tǒng)方案中必須的I/O 信號(hào)的隔離柵,、配電盤和分流器和大量信號(hào)電纜,，同時(shí)節(jié)約了大量控制箱柜空間。此外,，還可以省去防爆現(xiàn)場(chǎng)元件的機(jī)械保護(hù)裝置如雙層絕緣,、附加金屬保護(hù)網(wǎng)等，以及在使用非本質(zhì)安全導(dǎo)線時(shí)所需要的防爆鋼管,。

FISCO本質(zhì)安全現(xiàn)場(chǎng)總線（如PROFIBUS-PA）是最新的本安防爆接口技術(shù),。

圖3：Bus to Bus 接線本安防爆方案

(4)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(zhì)安全分布式I/O,。見(jiàn)圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應(yīng)用在Ex.Zone 1區(qū)，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電纜連接至Ex.Zone 0區(qū)的本安儀表,。

與從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案相比,，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,，而分布式I/O向上則以經(jīng)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(tǒng)通信總線或現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡,。ET200iSP不僅具有安全柵功能，為現(xiàn)場(chǎng)回路提供本質(zhì)安全防爆,，而且ET200iSP本身還具有很高的防爆安全等級(jí),，其I/O模塊、電源模塊和網(wǎng)關(guān)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(qū),，可對(duì)其所有電子模塊（包括電源模塊和總線連接模塊）進(jìn)行帶電熱插拔維護(hù),、操作。顯然,，這種本安防爆解決方案中,，現(xiàn)場(chǎng)儀表仍可使用傳統(tǒng)的4—20mA儀表。本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案是能兼顧FISCO現(xiàn)場(chǎng)總線方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式兩類應(yīng)用方案優(yōu)點(diǎn)的一種中間方案,，也是本文將詳細(xì)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(yīng)的防爆結(jié)構(gòu)和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后，其本身就構(gòu)成無(wú)火花型防爆形式,，可以直接安裝在危險(xiǎn)區(qū),。但ET200M本身的防爆級(jí)別要比ET200iSP低，只能安裝在增安型(Ex e)保護(hù)箱中,，用于Ex.Zone 2區(qū),。ET200M的數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS-DP，最高速率可達(dá)12 Mbps,，相比ET200iSP的1.5Mbps通訊速率要高,。

圖4：本安防爆分布式I/O解決方案

4.       西門子控制系統(tǒng)防爆器件介紹

（1）ET200iSP

SIMATIC ET-200iSP是用于Ex危險(xiǎn)區(qū)的分布式I/O系統(tǒng)。使用符合歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)防爆等級(jí)Ex[ia/ib] IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外設(shè),，可以安裝于危險(xiǎn)區(qū)域Ex.Zone 1中,，連接來(lái)自Ex.Zone 0區(qū)的本安信號(hào)。ET-200iSP通過(guò)本質(zhì)安全的PROFIBUS-DP/iS總線實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通訊,，傳輸速率1.5Mbps,。

ET-200iSP 采用位模塊化結(jié)構(gòu)，如圖5所示：

圖5：ET200iSP結(jié)構(gòu)組成

•   一個(gè)SIMATIC ET-200iSP 站點(diǎn)由一個(gè)密封電源,、一個(gè)用于連接PROFIBUS-DP 的接口模塊(可擴(kuò)展32 塊電子模塊),，和一個(gè)總線終端電阻模塊組成。而且,，其電源和接口模塊均可進(jìn)行冗余配置。

•   ET-200iSP的防爆電源是一個(gè)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(guò)Ex-e端子實(shí)現(xiàn)，在危險(xiǎn)區(qū)不允許拆開(kāi)此連接,。而且送電電源必須安裝在安全區(qū),。

•   每臺(tái)ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模塊最多可連接64個(gè)模擬信號(hào)或128個(gè)數(shù)字信號(hào)。

•   ET-200iSP的模塊化結(jié)構(gòu)為用戶提供了最大限度的靈活性,，可以連接NAMUR 數(shù)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(jié)構(gòu)，而且在危險(xiǎn)1區(qū)可對(duì)所有的電子模塊(包括供電及總線連接模塊)帶電進(jìn)行更換,，即“熱插拔”,。

•   HART 協(xié)議模板可實(shí)現(xiàn)與HART儀表的無(wú)縫集成。

•   采用彈簧壓緊或螺釘快速連接現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備,。

（2）      ET200M   

在SIMATIC ET 200 產(chǎn)品系列中,， ET 200M 是主要的分布式I/O系統(tǒng)，與SIMATIC PCS7一起用于過(guò)程應(yīng)用,，支持在線修改( 使用有源總線模塊設(shè)計(jì)),，它可使用豐富的S7-300 I/O 模塊包括S7-300標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模塊，冗余信號(hào)模塊,，防爆輸入/ 輸出模塊以及符合HART協(xié)議的防爆模擬量輸入和輸出模塊,。每個(gè)ET200M接口模塊最多可以連接8 個(gè)I/O 模塊。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線上的從站,，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12 Mbit/s,。

•   ET200M模塊本身采用無(wú)火花型防爆，即ATEX II 3 G EEx n II A T4,，配合增安型防護(hù)箱,，可安裝在Ex.Zone 2區(qū)，這已可滿足大部分現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜安裝地點(diǎn)的防爆要求,，其連接的本安傳感器/執(zhí)行器可以用于Ex.Zone 1區(qū),。

•   ET 200M可選用有源總線模板進(jìn)行配置。在非防爆環(huán)境中,，允許帶電熱插拔操作,，但在危險(xiǎn)區(qū)使用時(shí)不能進(jìn)行熱插拔維護(hù)。

（3）      本安防爆I/O卡板

表1：SIMATIC  S7-300系列的隔離式Ex I/O卡板

（4）      RS485/IS耦合器

由于ET200iSP直接安裝在Ex.Zone 1區(qū),，進(jìn)行本安操作需要本安PROFIBUS-DP總線。RS485-IS耦合器是一個(gè)“現(xiàn)場(chǎng)總線隔離器”,，非本安的PROFIBUS-DP總線通過(guò)RS485-IS耦合器后成為本安的PROFIBUS-DP/iS總線,。RS485/IS耦合器對(duì)總線進(jìn)行隔離并限制其能量，使之處于安全范圍之內(nèi),，起到了總線中繼和防爆隔離的作用,。在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi),，本安的PROFIBUS-DP/iS可以帶電進(jìn)行插接操作。

需要注意RS485-IS耦合器本身必須安裝在安全區(qū)內(nèi),。

（5）      DP/PA耦合器/鏈接器   

DP/PA耦合器/鏈接器實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP到本安現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS-PA的轉(zhuǎn)換和連接,。PA本安現(xiàn)場(chǎng)總線還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本安現(xiàn)場(chǎng)總線儀表的饋電。

DP/PA耦合器（Coupler）的主要作用：

•   實(shí)現(xiàn)物理層的轉(zhuǎn)換,，并通過(guò)總線向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電

•   實(shí)現(xiàn)安全柵隔離功能,，使危險(xiǎn)區(qū)與安全區(qū)電氣隔離。

DP/PA鏈接器（Link）的主要作用：

•   完成過(guò)程儀表與主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊工作,，它肩負(fù)著主設(shè)備和從設(shè)備的雙重身份,。作為主設(shè)備，它控制著內(nèi)部總線的正常工作,；作為從設(shè)備,，它又擔(dān)負(fù)著與上一層總線的通訊任務(wù)。

•   DP/PA 鏈接器是一種非常簡(jiǎn)單的網(wǎng)關(guān),，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(huì)影響PROFIBUS -DP的性能,。

（6）      本安操作員面板

如果防爆現(xiàn)場(chǎng)需要更多的信息顯示和操作，在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)防爆。

5.       西門子本安防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用

前文所述4種本安防爆控制系統(tǒng)解決方案有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合,，在實(shí)踐中均有很多應(yīng)用實(shí)例,。而且SIMATIC系統(tǒng)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(tǒng),。因?yàn)槲鏖T子的集成一體化思想在SIMATIC產(chǎn)品上的充分體現(xiàn),，我們可以通過(guò)一條PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將幾種防爆解決方案統(tǒng)一在一個(gè)防爆控制系統(tǒng)中，如圖5所示,，甚至將防爆應(yīng)用和非防爆應(yīng)用統(tǒng)一在一個(gè)控制系統(tǒng)中,。這常見(jiàn)于西門子PCS7系統(tǒng)中多區(qū)域、多場(chǎng)所,、多站點(diǎn)的應(yīng)用,。

因此用戶可以根據(jù)自己生產(chǎn)的特點(diǎn)，充分的利用不同防爆解決方案的特點(diǎn),，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(tǒng),。圖5是西門子SIMATIC本安防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用,。

圖5西門子防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用

6.       本安防爆分布式I/O方案應(yīng)用實(shí)例

詳見(jiàn)文后附錄：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無(wú)菌制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

7.       應(yīng)用體會(huì)和結(jié)論

1)      西門子本安防爆分布式I/O方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或智能化現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程設(shè)備更適宜通過(guò)使用ET200系列分布式I/O 連接到PROFIBUS,。這些本安傳感器/ 執(zhí)行器還可用于Ex.Zone 2,、1或0區(qū)。這使得分布式過(guò)程I/O成為現(xiàn)在的主流產(chǎn)品,。

本文認(rèn)為：由于本安防爆分布式I/O方案能夠兼顧兼顧FISCO現(xiàn)場(chǎng)總線方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式兩類應(yīng)用方案的優(yōu)點(diǎn),，能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：

l       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(guò)去密集、冗長(zhǎng)的電纜,，能夠明顯加快安裝調(diào)試過(guò)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。

l       與現(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(kāi)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(jiàn)，利用西門子本安防爆分布式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）西門子本安防爆分布式I/O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。如果這些裝置本來(lái)就準(zhǔn)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(yuǎn)程 I/O便可一舉兩得。

•   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(méi)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,。

西門子SIMATIC PCS7系統(tǒng)中應(yīng)用于本安防爆場(chǎng)合的分布式I/O品種已經(jīng)非常豐富,，應(yīng)用實(shí)例也非常多。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,。

附：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無(wú)菌制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

華北制藥股份有限公司是目前世界上最大的抗生素生產(chǎn)制造基地,。其某一無(wú)菌抗生素提煉精制包裝車間，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)既是防爆區(qū)又是醫(yī)藥生產(chǎn)潔凈區(qū),，因此根據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)線設(shè)備分布特點(diǎn),，設(shè)計(jì)使用了以防爆式遠(yuǎn)程I/O ET200iSP構(gòu)成控制系統(tǒng)，完成了無(wú)菌抗生素晶體的從過(guò)濾,、洗滌,、干燥到分裝包裝全流程的自動(dòng)化控制。完全符合制藥生產(chǎn)GMP要求,，具有現(xiàn)場(chǎng)布線簡(jiǎn)潔,，方便清潔無(wú)死角，防爆等級(jí)高,，控制元件可以實(shí)現(xiàn)本安帶電檢修等特點(diǎn),，非常適合在無(wú)菌制藥生產(chǎn)過(guò)程推廣。

項(xiàng)目介紹

本項(xiàng)目包括有四臺(tái)過(guò)濾,、洗滌,、干燥三合一大型機(jī)組，由每?jī)膳_(tái)機(jī)組組成一條生產(chǎn)線,。生產(chǎn)線具體組成見(jiàn)圖1所示,。生產(chǎn)線的設(shè)備組成按生產(chǎn)流程順序依次是：罐式三合一干燥器，全排料管道，排料料倉(cāng),，振蕩篩,，稱量分裝裝置等組成。

圖1：三合一生產(chǎn)線的設(shè)備組成

生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介如下：

1)    先密閉整個(gè)機(jī)組系統(tǒng),，充入惰性氣體保護(hù),，通過(guò)進(jìn)料自動(dòng)閥門加入抗生素待處理結(jié)晶液，達(dá)到一定體積量后關(guān)閉進(jìn)料閥,。

2)    通入惰性氣體加壓,，通過(guò)底部的大型金屬過(guò)濾板實(shí)現(xiàn)抗生素結(jié)晶液的固液分離。

3)    抗生素結(jié)晶液固液分離后進(jìn)行噴淋洗滌,。

4)    洗滌結(jié)束后通過(guò)液壓裝置下降攪拌裝置進(jìn)行攪拌,，并同時(shí)利用攪拌內(nèi)部的加熱管路系統(tǒng)加熱物料層，并嚴(yán)格控制干燥過(guò)程溫度,，否則會(huì)使抗生素的降解失效,。在加熱干燥的同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)抽真空操作，使溶媒快速蒸發(fā),。

5)    物料層干燥合格后（可以取樣檢測(cè)）,，停止真空，進(jìn)入自動(dòng)排料程序,。

6)    自動(dòng)排料程序：在排料口通入惰性氣體,，同時(shí)在料倉(cāng)側(cè)抽真空，然后控制攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉下降速度進(jìn)行刮料,、送料動(dòng)作,，使粉狀物料快速通過(guò)排料閥進(jìn)入料倉(cāng)，當(dāng)攪拌刮至接近金屬過(guò)濾板層時(shí)停止攪拌下降,，然后噴吹惰性氣體,，將底層物料全部吹至料倉(cāng)。

7)    物料進(jìn)入料倉(cāng)后進(jìn)行料位檢測(cè),，并分批下裝至計(jì)量倉(cāng),，通過(guò)稱量控制閥門進(jìn)行分裝。至此完成抗生素的無(wú)菌過(guò)濾,，洗滌,，干燥，分裝過(guò)程,。

生產(chǎn)系統(tǒng)控制特點(diǎn)分析

三合一生產(chǎn)系統(tǒng)工序流程長(zhǎng),，監(jiān)控點(diǎn)數(shù)多，動(dòng)作復(fù)雜,，既有大量開(kāi)關(guān)量聯(lián)鎖,、順序控制,，又有大量模擬量回路調(diào)節(jié)；同時(shí)生產(chǎn)全過(guò)程既是潔凈生產(chǎn)環(huán)境,，又是易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境,，既有很高的安全性要求，又有非常高的控制精度要求,?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化操作控制，系統(tǒng)組成復(fù)雜,，控制系統(tǒng)涉及的功能多樣,，可以完成的功能有：運(yùn)動(dòng)控制，液壓系統(tǒng),，惰性氣體保護(hù)，機(jī)械傳動(dòng),，變頻調(diào)速,，自動(dòng)閥門控制，正負(fù)壓控制,，還有易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的信息顯示與操作,，信號(hào)包括流量、溫度,、壓力,、轉(zhuǎn)速、扭矩,、料位,、動(dòng)態(tài)重量等模擬量的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)控制，以及機(jī)械位置,、壓力開(kāi)關(guān),、流量開(kāi)關(guān)、料位,、安全保護(hù)等開(kāi)關(guān)量,。

此生產(chǎn)線的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)特殊，要求很高：

1)      醫(yī)藥潔凈區(qū),，（萬(wàn)級(jí)區(qū)~百級(jí)區(qū)）,，制藥管理規(guī)范GMP要求現(xiàn)場(chǎng)越簡(jiǎn)潔越好，便于清潔,，免除清潔死角

2)      是防爆區(qū),，為Zone1區(qū)，含有多種有機(jī)溶媒,。

3)      全自動(dòng)化生產(chǎn)線分布很長(zhǎng),，很散,，跨越幾個(gè)隔離間， GMP要求現(xiàn)場(chǎng)管線越少越好

4)      機(jī)組本身控制點(diǎn)分布特點(diǎn)是：分布區(qū)域大,，但每個(gè)區(qū)域內(nèi)信號(hào)點(diǎn)集中,，適合I/O分布式信號(hào)處理。

5)      生產(chǎn)操作復(fù)雜,，需要人工干預(yù)生產(chǎn)階段的結(jié)束和開(kāi)始,，操作信息非常多，同時(shí)機(jī)械安全操作要求必須在現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備,，不得遠(yuǎn)程控制,，因此現(xiàn)場(chǎng)必須設(shè)置大信息量的防爆、潔凈操作界面,。

這些控制特點(diǎn)和要求,，因此非常適合采用西門子防爆遠(yuǎn)程I/O方案解決以上問(wèn)題。因此,，按照生產(chǎn)線功能流程和儀表信號(hào)的位置分布可以將系統(tǒng)劃分為6個(gè)功能部分,，分別見(jiàn)圖1中所示各位置功能單元：

1)      三合一罐體上部

2)      三合一罐體下部底盤開(kāi)合操作區(qū)

3)      信息顯示與操作單元

4)      料倉(cāng)區(qū)

5)      振蕩篩部分

6)      自動(dòng)稱量、分裝單元

7)      控制室控制柜

控制系統(tǒng)構(gòu)成：

控制系統(tǒng)采用西門子SIMATIC S7300 PLC作為主控器,，采用PROFIBUS-DP作為控制,、通訊網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)按照控制點(diǎn)的區(qū)域位置分布設(shè)置西門子防爆式遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP,，現(xiàn)場(chǎng)采用防爆操作屏BARTEC VGA作為人機(jī)操作界面,，并在控制室開(kāi)發(fā)具有集中管理功能的WINCC工作站作為遠(yuǎn)端管理站。

本項(xiàng)目中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖2：三合一生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：

1)      安全保護(hù)功能,。惰性氣體保護(hù)裝置,，各種安全聯(lián)鎖，狀態(tài)位置監(jiān)測(cè)聯(lián)鎖,，流程條件的連鎖,，順序控制等。

2)      系統(tǒng)測(cè)控部分為本安系統(tǒng),。分布在.現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械開(kāi)關(guān),，接近開(kāi)關(guān)，溫度,、壓力變送器,，這些自控設(shè)備全部為本安防爆型，信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)本安防爆遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP進(jìn)行匯總處理,，弱電控制部分均為本質(zhì)安全回路,，安全等級(jí)達(dá)到Ex ia IIC T6。所以可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行帶電信號(hào)檢修,，大大方便了設(shè)備的維護(hù),，減少設(shè)備故障檢修時(shí)間,。

3)      現(xiàn)場(chǎng)I/O模塊設(shè)置在RITTAL增安型儀表箱中，布線簡(jiǎn)潔,，與傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)防爆控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布線方式相比,，省卻了大量電纜保護(hù)管，有效保證了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的簡(jiǎn)潔易于清潔,，減少死角,，充分符合制藥GMP規(guī)范。

4)      信號(hào)采集采用1.5M的通訊速率,，速度極快,。控制系統(tǒng)包括大量開(kāi)關(guān)量,、模擬量的邏輯聯(lián)鎖,、順序控制、混合控制,，實(shí)時(shí)安全,。

5)      實(shí)現(xiàn)在防爆現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜操作控制。利用全集成自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì),，采用智能防爆型BARTEC操作顯示屏,，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的復(fù)雜操作和各種狀態(tài)信息顯示,，而且只需一根電源線和兩芯屏蔽雙絞通訊總線即可完成連接,，省卻復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)布線和龐大的隔爆操作盤。

6)      模擬量的回路自控,?？梢赃M(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)、物位的調(diào)節(jié),、倉(cāng)體壓力的調(diào)節(jié),、攪拌轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、扭矩的調(diào)節(jié),、精確分裝重量的調(diào)節(jié),、攪拌升降位置設(shè)定，SIMATIC控制系統(tǒng)可以達(dá)到很高的控制精度,。

7)      系統(tǒng)采用防爆遠(yuǎn)程I/O單元式結(jié)構(gòu),，因此實(shí)現(xiàn)了單元分步驟調(diào)試，調(diào)試任務(wù)清晰,，加快了系統(tǒng)投運(yùn)速度,。

在無(wú)菌抗生素生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，本安防爆遠(yuǎn)程I/O模塊 ET200iSP的使用,，完全適合了無(wú)菌制藥環(huán)境要求,，安全防爆,，布線簡(jiǎn)潔，易于清潔,，完美實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能,。控制系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線將模擬,、數(shù)字控制,，傳動(dòng)控制，安全防爆操作顯示,，過(guò)程信息管理等諸多功能很方便的統(tǒng)一在一起,，減少了故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)整體性能,，為用戶創(chuàng)造了價(jià)值,。

作者卞家宏，男,，碩士學(xué)位,，高級(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)工程師,；主要研究方向?yàn)檫^(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及自動(dòng)化儀表的工程技術(shù)應(yīng)用,。