1. 前言

燃氣、化工生產(chǎn)過程中相當大的一部分場所為具有爆炸危險性氣體存在的危險場所，自動控制系統(tǒng)在這類場合下的應(yīng)用一定要遵從符合防爆安全技術(shù)規(guī)范。在爆炸危險區(qū)內(nèi)本質(zhì)安全防爆（Ex-i）方式是自控設(shè)計者經(jīng)常使用的方法，本安防爆在過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計、施工、工程造價以及可操作性和維護性等方面相對于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優(yōu)越性。

2. 爆炸性危險場所的劃分
在危險場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)運行時必要的維護。因此應(yīng)根據(jù)其使用所在的危險場所的性質(zhì)來合理的選擇防爆電氣設(shè)備。
危險場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)或者爆炸危險的場所。典型的危險場所，如石油化工行業(yè)中爆炸性物質(zhì)的生產(chǎn)、加工和貯存過程中所形成的環(huán)境。對爆炸性氣體環(huán)境，按場所中危險物質(zhì)存在時間的長短，將爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域劃分為三個區(qū)，即分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。
0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
1區(qū)：在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
2區(qū)：在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境或即使出現(xiàn)也僅是短時存在的爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
為實現(xiàn)電氣設(shè)備防爆，工程上采取了多種防爆技術(shù)方法，并通過防爆認證，構(gòu)成防爆電氣設(shè)備，用來防止爆炸危險性環(huán)境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正壓、充油、充砂、無火花型等形式的防爆電氣設(shè)備。對于自控系統(tǒng)來說，最常見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，如本質(zhì)安全，結(jié)構(gòu)簡單，可帶電檢修等，在過程儀表自控系統(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，通過可靠的控制電路參數(shù)設(shè)計，將潛在的電火花能量降低到可點燃規(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準規(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”兩個等級， “ia”等級電氣設(shè)備，是正常工作和施加一個故障和任意組合的兩個故障條件下，均不能引起點燃的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備；“ib”等級電氣設(shè)備，是正常工作和施加一個故障條件下，不能引起點燃的本質(zhì)安全型電氣設(shè)備（參見GB3836.4標準）。本安防爆形式因?qū)δ芰坑袊栏竦南拗?，因此只能?yīng)用于弱電設(shè)備中，設(shè)備其中本安設(shè)備適用于0、1、2區(qū)。本安防爆設(shè)備可以在帶電情況下進行檢修和校準，因此尤其適合過程自控系統(tǒng)應(yīng)用。
3. 安全防爆場所的兩種應(yīng)用解決方案
（1）從點對點接線到點對點接線（Point to Point）解決方案
即傳統(tǒng)DCS/PLC/IO板卡+安全柵方案。這類本安防爆接口以隔離式和齊納式安全柵為代表。應(yīng)用特點是本安防爆現(xiàn)場儀表以點對點的接線方式通過電纜接至安全區(qū)控制柜內(nèi)的安全柵，安全柵再以點對點的接線方式接至控制系統(tǒng)（DCS/PLC/IO板卡）的通用I/O卡。這是傳統(tǒng)的本安防爆接口技術(shù)。
目前，在我國大部分企業(yè)生產(chǎn)過程底層的測控自動化系統(tǒng)中，仍采用這種點對點接線到點對點接線的方式。采用這種方式，生產(chǎn)現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，如0-1MPa的氣壓信號，0-10mA、4-20mA的直流電流信號，1-5V直流電壓信號等，送往集中控制室這一傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。模擬信號變化緩慢，提高計算速度與精度的開銷、難度都較大，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。點對點的連接，需要大量的電纜和接線端子，系統(tǒng)施工時要耗費大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數(shù)眾多的連接點及故障診斷的困難，也給日后系統(tǒng)的檢修及維護帶來了很大的不便。
 
（2）從點對點接線到總線（Point to Bus） 解決方案
即本安防爆遠程分布式I/O方案，產(chǎn)品核心包括總線式隔離安全柵。其中極具代表性的是智允電子的ZY系列總線式隔離安全柵。見圖所示：安全柵安裝在隔爆的箱體內(nèi)部，直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，通過點對點電纜連接至Ex.Zone 0區(qū)的本安儀表。
 
其應(yīng)用特點是：現(xiàn)場儀表仍可以采用傳統(tǒng)4～20mA本安儀表，以點對點的接線方式接至分布式I/O既總線式隔離安全柵，安全柵不僅僅具有安全柵功能，為現(xiàn)場回路提供本質(zhì)安全防爆，而且把現(xiàn)場點的儀表信號轉(zhuǎn)換為MODBUS通訊協(xié)議的RS485信號。
采用這種方案，
• 一根雙絞線可連接多臺設(shè)備，從而減少導(dǎo)線數(shù)量，降低配線成本。
• 由于采用數(shù)字式傳輸方式，可以處理高精度的信息，品質(zhì)管理更加嚴密。
• 由于實現(xiàn)了多重通信，可以傳送現(xiàn)場儀表PV值、MV值以外的信息。
• 現(xiàn)場儀表之間可以通信，實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表的自律分散控制。
• 由于確保了相互運用性，不同廠家的儀表可以組合。
• 不限定廠家、機型，選擇范圍廣，構(gòu)成了最佳的系統(tǒng)。
• 實現(xiàn)了儀表測量、電機、分析儀等各種系統(tǒng)的綜合化。
• 在儀表室可以對現(xiàn)場儀表進行部分調(diào)試、點檢。
• 多種診斷功能，為系統(tǒng)的維護帶來了極大的方便。
因此可以給用戶帶來巨大的收益：
• 大量節(jié)省用戶I/O成本及工程材料成本；
• 簡化用戶設(shè)計、施工工作，優(yōu)化系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu);
• 提高系統(tǒng)的安全性可靠性；
從以上的特點可以看出，應(yīng)用現(xiàn)場總線構(gòu)成全新系統(tǒng)成為解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)諸多缺陷的一個最佳的選擇。這一結(jié)論，從目前眾多的現(xiàn)場總線應(yīng)用實例中能夠得到很好的驗證。全面采用現(xiàn)場總線技術(shù)已是大勢所趨。
 
4. ZY總線式隔離安全柵介紹
智允電子的ZY系列智能隔離式安全柵集信號浪涌保護和隔離式安全柵、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換功能合三為一。
產(chǎn)品采用電磁耦合技術(shù)，實現(xiàn)電源、信號輸入、信號輸出的可靠隔離，且無需本安接地，大大增強了檢測和控制回路的抗干擾能力。它在產(chǎn)品的本安側(cè)加上浪涌保護功能，使用更安全、更經(jīng)濟、更方便。同時產(chǎn)品在設(shè)備中集成了I/O、數(shù)據(jù)采集和隔離的RS-485總線接口，支持Modbus協(xié)議，可以為用戶在主控設(shè)備和現(xiàn)場信號之間提供完整的數(shù)據(jù)采集和通訊解決方案，它也是一種總線式隔離安全柵。
最有特色的是ZY系列智能隔離式安全柵中的RS-485、 RS22、RS232通訊安全柵，產(chǎn)品內(nèi)置了燃氣、石化行業(yè)的主流本安型儀表的通訊協(xié)議，可以根據(jù)需要將相關(guān)儀表信號轉(zhuǎn)換為MODBUS RTU & ASC II 標準通訊協(xié)議，省卻了工程技術(shù)人員解析各種非標通訊協(xié)議的痛苦。
ZY系列智能隔離式安全柵浪涌保護性能
－總線通訊端高達10kV（1.2/50μs）抗浪涌能力
－額定放電電流In（8/20）μs：5kA（線對線，線對地）
－最大放電電流Imax（8/20）μs：10kA（線對地）
－響應(yīng)時間： 10ns
 
ZY系列智能隔離式安全柵認可標準及產(chǎn)品認證
— 認可標準：
GB3836-1-2000《爆炸性氣體環(huán)境電氣設(shè)備 第1部分：通用要求》
GB3836.4-2000《爆炸性氣體環(huán)境電氣設(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“i ”》
GB18802.21-2004《低壓電涌保護器 第21部分：電信和信號網(wǎng)絡(luò)的電涌保護器（SPD）—性能要求和試驗方法》
— 產(chǎn)品認證：
國家防爆電氣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心防爆認證。
 
5. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的特點
1. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的技術(shù)優(yōu)勢
本安防爆分布式I/O方案能夠照顧和符合目前大部分用戶的使用、維護水平和要求，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)勢主要體現(xiàn)在以下方面：
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I/O卡+安全柵的成本低，而且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，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用。
 集成的總線鏈接器代替過去密集、冗長的電纜，能夠明顯加快安裝調(diào)試過程。
 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。
 從控制室到現(xiàn)場本安分布式I/O之間只有一條總線，一目了然且不容易發(fā)生故障并簡化維護。
 本安分布式I/O簡單的結(jié)構(gòu)意味著快速的安裝，少量的接線，更少的故障點。
 不依賴于有源的背板總線“熱插技”技術(shù)使得ET200iSP的維護工作大大降低。不需要將整個系統(tǒng)停機或斷電就可以在幾秒鐘內(nèi)更換一個模塊。相互獨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。
與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線方案相比
 可將傳統(tǒng)模擬量信號掛接到現(xiàn)場總線上，這些模擬量信號如4～20mA信號（AI/AO）、熱電偶和熱電阻信號、NAMUR開關(guān)和干接點信號（DI）、NAMUR或干接點頻率量信號（PI）、電磁閥驅(qū)動信號及報警輸出信號（DO）等，并不會很快被現(xiàn)場總線完全取代；
 與現(xiàn)場總線方案相同也可在一根總線上傳遞多點位的測量和控制信息；
 更適應(yīng)員工素質(zhì)的逐步提高，既可使用傳統(tǒng)的儀表檢測工具對現(xiàn)場儀表進行維護和檢修，又可使用PC機等智能工具學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線儀表的維護和檢修方法，為今后使用現(xiàn)場總線儀表做準備。
可見，利用總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案是比較適合我國目前儀表控制系統(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)點對點本安防爆和本安現(xiàn)場總線這兩種方式的優(yōu)點，既有技術(shù)先進性，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方案具有非常強的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)越性，具有非常最大的應(yīng)用發(fā)展空間。
 
2. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的適用場合
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。實踐表明，在以下幾種防爆場合，用戶應(yīng)考慮采用分布式I/O方案。
 當同時建設(shè)幾個比較分散的生產(chǎn)裝置時，用戶既不愿為每個裝置都建設(shè)獨立的主控室，又不愿將太多的錢花在電纜和橋架上。
 當主要裝置進行建設(shè)時，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行，甚至不能確定這些部分何時才能建設(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，若這些輔助裝置和不確定的部分需要本安防爆，則可設(shè)計采用分布式I/O方案，待進行后期建設(shè)時加入主系統(tǒng)即可。
 防爆生產(chǎn)裝置在原有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上改擴建，尤其工期較緊時。推薦采用防爆分布式I/O方案，這樣可以減少新增點調(diào)試時對原系統(tǒng)控制程序的干擾和誤修改，便于獨立調(diào)試。
 或是當生產(chǎn)裝置改擴建時，用戶希望避免在已經(jīng)擁擠的主控室擴充新的 DCS 機柜和安全柵機柜。此時，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。
 當一個裝置的檢測點較多，同時購置大量I/O卡和安全柵成本很高。此時，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。
 當控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方案，某一個防爆生產(chǎn)裝置的有些現(xiàn)場儀表沒有本安現(xiàn)場總線型品種，或者不值得采用現(xiàn)場總線型儀表。這時可采用能掛接到現(xiàn)場總線上去的防爆分布式I/O。
用戶應(yīng)結(jié)合自己的現(xiàn)場情況和控制應(yīng)用需要，合理選用分布式I/O，設(shè)計出既安全可靠，又節(jié)省投資的應(yīng)用方案。