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.
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.
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
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 .
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.
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.
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.
Преобразователь выходного тока
Модули с гальванической развязкой выходных сигналов по току 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.
датчикам
Разделитель тока
Разделители тока, или, как их еще называют, разъединители питания 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.
Датчики температуры
Измерительные преобразователи 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.
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
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.
Источник: https://www.compel.ru/lib/66439
🔗 Барьеры искробезопасности и устройства защиты от перенапряжений