安全柵原理及使用介紹

安全柵原理及使用介紹1現(xiàn)在是1頁\一共有44頁\編輯于星期三安全柵（safetybarrier）安全柵又稱安全限能器、安全保持器，是本安系統(tǒng)中的重要組成部分。安全柵是本安回路的安全接口，它能在安全區(qū)（非本質(zhì)安全）和危險區(qū)（本質(zhì)安全）之間雙向傳遞電信號，并可限制因故障引起的安全區(qū)向危險區(qū)的能量轉(zhuǎn)遞。工作電源24V±10%DC環(huán)境溫度0-50℃相對濕度5%~95%RH2現(xiàn)在是2頁\一共有44頁\編輯于星期三安全柵簡介

安全柵應用在本安防爆系統(tǒng)的設計中，它是安裝于安全場所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過限流和限壓電路限制了送往現(xiàn)場本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險能量串入本安電路，它在本安防爆系統(tǒng)中稱為關聯(lián)設備，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。由于安全柵被設計為介于現(xiàn)場設備與控制室設備之間的一個限制能量的接口，因此無論控制室設備處于正?；蚬收蠣顟B(tài)，安全柵都能確保通過它傳送給現(xiàn)場設備的能量是本質(zhì)安全的。3現(xiàn)在是3頁\一共有44頁\編輯于星期三齊納式安全柵安全柵有齊納式和隔離式。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。電路中采用快速熔斷器、限流電阻或限壓二極管以對輸入的電能量進行限制，從而保證輸出到危險區(qū)的能量。4現(xiàn)在是4頁\一共有44頁\編輯于星期三齊納安全柵，其主要構(gòu)成元件是齊納管，也叫穩(wěn)壓二極管。但齊納二極管只能把電壓值控制住，那么構(gòu)成電能的第二要素的電流由電阻元件控制，具備一定功率承受能力的電阻在這里充當了限流的作用，使安全柵輸向危險區(qū)域的電流始終控制在一個允許的范圍內(nèi)，從而達到了本安。5現(xiàn)在是5頁\一共有44頁\編輯于星期三齊納安全柵的特點優(yōu)點：原理簡單、電路實現(xiàn)容易，價格低廉，選型容易，不易損壞，對原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求改動的地方比較少。齊納安全柵的防爆原理是用齊納二級管控制輸出電壓，用電阻限制輸出電流，電路相對簡單。在正常工作時，齊納安全柵相當于兩個電阻串入電路，因此對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無須作改動。另外，齊納安全柵由于無信號的轉(zhuǎn)變，對原信號精度也沒有影響。缺點：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。1．安裝位置必須有非?？煽康慕拥叵到y(tǒng)，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，這樣的要求是十分苛刻并在實際工程應用中難以保證。2．要求來自危險區(qū)的現(xiàn)場儀表必須是隔離型，否則通過齊納式安全柵的接地端子與大地相接后信號無法正確傳送，并且由于信號接地，直接降低信號抗干擾能力，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。3．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。6現(xiàn)在是6頁\一共有44頁\編輯于星期三隔離式安全柵帶有電流隔離功能的安全柵，則被稱為隔離式安全柵，簡稱隔離柵。

7現(xiàn)在是7頁\一共有44頁\編輯于星期三隔離式安全柵組成隔離柵通過變壓器耦合及限壓、限流電路對本安回路和非本安回路之間進行隔離。隔離柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號處理單元三部分組成。8現(xiàn)在是8頁\一共有44頁\編輯于星期三回路限能單元中最核心的電路為安全柵基本限能電路。此外，輔助有用于驅(qū)動現(xiàn)場儀表的回路供電電路和用于儀表信號采集的檢測電路。電流隔離單元包括變壓器隔離組件、模頻轉(zhuǎn)換和頻模轉(zhuǎn)換電路。信號處理單元則根據(jù)各品種隔離柵的功能要求實施信號處理。9現(xiàn)在是9頁\一共有44頁\編輯于星期三隔離式安全柵特點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(xiàn)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。回路供電隔離式安全柵既保持有源隔離式安全柵的優(yōu)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(tǒng)。安全柵的主要功能為限流限壓，保證現(xiàn)場儀表可得到的能量在安全范圍內(nèi)。隔離安全柵是以高頻作為基波，將信號進行調(diào)制解調(diào)，信號有了變動，精度會受到安全柵電路的影響。隔離安全柵由于具有高頻震蕩電路，將產(chǎn)生出射頻干擾，對系統(tǒng)不利，而且隔離安全柵也比較容易損壞。但隔離安全柵不需要本安接地，這是它比齊納安全柵優(yōu)越的地方。

10現(xiàn)在是10頁\一共有44頁\編輯于星期三優(yōu)點：1．輸入、輸出以及電源三方隔離方式，因此無需系統(tǒng)接地線路，給設計及現(xiàn)場施工帶來極大方便。2．對危險區(qū)的儀表要求大幅度降低，現(xiàn)場無需采用隔離式的儀表。3．由于信號線路無需共地，使得檢測和控制回路信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。4．隔離式安全柵有較強的信號處理能力。如開關量輸入狀態(tài)控制、mV、Pt100變?yōu)?～20mA等等。這樣給現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)的應用提供了更大的方便、合理和有效。5．選用一進二出隔離式安全柵可輸出兩路相互隔離的信號，當用戶同時應用DCS和ESD時，可以提供給使用同一信號源的兩臺設備使用，有效地將兩個系統(tǒng)隔離開來，避免系統(tǒng)之間互相影響。同時提高所連接設備相互之間的電氣安全絕緣性能。11現(xiàn)在是11頁\一共有44頁\編輯于星期三

本安系統(tǒng)除了要選擇合適的安全柵外，使用的時候要注意以下幾個方面：

第一，要注意線纜和現(xiàn)場設備的容抗和感抗，本安防爆是系統(tǒng)防爆，除了安全柵需要達到所需的防爆等級外，線纜和現(xiàn)場設備的蓄能也是一個關鍵問題。特別是在參量認證替代系統(tǒng)認證后，工程商尤其要注意這個問題。

第二，要注意本安接地，齊納安全柵需要本安接地，接地電阻應小于1。

第三，本安線纜與非本安線纜應分開敷設在不同的線槽里。并應有明顯標識。

第四，更換時應注意斷電。12現(xiàn)在是12頁\一共有44頁\編輯于星期三常用安全柵對比齊納式和隔離式安全柵的特點和性能后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優(yōu)點和更為廣泛用途，雖然其價格略高于齊納式安全柵，但從設計、施工安裝、調(diào)試及維護成本來考慮，其綜合成本可能反而低于齊納式安全柵。在要求較高的工程現(xiàn)場幾乎無一例外地采用了隔離式安全柵作為主要本安防爆儀表，隔離式安全柵已逐漸取代了齊納式安全柵，在安全防爆領域得到了日益廣泛的應用。因此，四川石化選用的安全柵均為隔離式。主要的安全柵廠商為p+f和MTL13現(xiàn)在是13頁\一共有44頁\編輯于星期三P+F公司有幾個系列的隔離柵

1.KF系列隔離柵。

2.KS系列遠程I/O型隔離柵。它在隔離柵基礎上又集成了遠程I/O的功能。多達125臺隔離柵可通過一根通訊總線與DCS系統(tǒng)聯(lián)接。其應用可為用戶節(jié)省控制系統(tǒng)的總體投資。

3.E-Card系列隔離柵。機柜整潔、美觀、高雅。維護十分方便。深得歐洲用戶喜愛。

4.HiD系列隔離柵。其特點為完全的母板安裝方式。現(xiàn)場側(cè)和系統(tǒng)側(cè)的接線均在母板上完成，隔離柵上沒有接線。維護隔離柵時完全不觸動任何接線端子?？刹捎肈CS系統(tǒng)電纜與隔離柵母板聯(lián)接。特別用于DCS和隔離柵總成調(diào)試驗收后，需要拆散、搬運至現(xiàn)場，再重新

安裝聯(lián)接的場合。14現(xiàn)在是14頁\一共有44頁\編輯于星期三四川石化主要使用了HiD和KF兩個系列的產(chǎn)品1.HiD系列HiC2031HiC2025HiD2081HiC2821：單通道DI安全柵2.KF系列KFD2-UT2-Ex1KFD2-UT2-Ex2KFD2-STC4-Ex1KFD2-STC4-Ex1.2015現(xiàn)在是15頁\一共有44頁\編輯于星期三該安全柵應用在本安系統(tǒng)中。它將控制系統(tǒng)的4~20mA信號輸出到位于危險區(qū)域的閥門定位器。危險區(qū)或安全區(qū)的數(shù)字信號可以疊加在模擬信號上，并可以雙向傳遞。一個開放的領域電路。該模塊安裝在HIC終端板上。HiC2031：AO安全柵16現(xiàn)在是16頁\一共有44頁\編輯于星期三撥片開關設置撥片開關位于安全柵背面，用于設置AO回路的開路電壓（出廠設置為＜27V）17現(xiàn)在是17頁\一共有44頁\編輯于星期三HiC2025：AI安全柵該安全柵應用在本安系統(tǒng)中?？勺鳛槲ｋU區(qū)的兩線制變送器，也可作為電流源。該安全柵視為獨立電流值將AI信號傳輸?shù)桨踩珔^(qū)域。支持雙向通信，智能變送器可以用電流傳送數(shù)據(jù)，用電壓調(diào)制接收數(shù)據(jù)。該裝置安裝在HIC終端板上。18現(xiàn)在是18頁\一共有44頁\編輯于星期三撥片開關設置撥片開關位于安全柵背面，安全柵輸出可以通過DIP開關設置為有源4~20mA信號、有源1~5V信號、無源4~20mA信號。（出廠設置為有源4~20mA信號）19現(xiàn)在是19頁\一共有44頁\編輯于星期三HiD2081：單通道溫度安全柵該安全柵應用在本安系統(tǒng)中?？梢詫⑽ｋU區(qū)的熱電偶（TC）、毫伏、電位計、熱電阻（RTD）信號轉(zhuǎn)換為安全區(qū)的獨立、線性信號。如果現(xiàn)場電路故障，安全柵會通過紅色發(fā)光二極管和故障總線提示。通過故障指示板可以檢測故障情況。安全柵可以利用PACTware軟件進行組態(tài)。該模塊安裝在HIC終端板上。20現(xiàn)在是20頁\一共有44頁\編輯于星期三熱電阻有兩線、三線、四線的接法。四川石化廠內(nèi)使用的多為三線制接法。21現(xiàn)在是21頁\一共有44頁\編輯于星期三熱電偶為了補償冷端溫度，在安全柵底板的接線端子上并入補償電阻。22現(xiàn)在是22頁\一共有44頁\編輯于星期三撥片開關設置撥片開關位于安全柵背面，安全柵輸出可以通過DIP開關設置為有源4~20mA信號、有源1~5V信號、無源4~20mA信號。23現(xiàn)在是23頁\一共有44頁\編輯于星期三該安全柵應用在本安系統(tǒng)中，用于從危險區(qū)至安全區(qū)傳輸數(shù)字信號（Namur傳感器/機械觸點）。當輸入信號改變狀態(tài)時，該模塊的輸出變化狀態(tài)。模式操作可以逆轉(zhuǎn)開關S1對側(cè)的單位。一個額外的繼電器用于故障輸出。線路故障檢測（LFD）可以通過開關S2被選用或禁用。在故障時，繼電器保持斷電狀態(tài)，LED指示故障。安全柵有一個獨立的輸出總線?？梢酝ㄟ^故障指示板進行監(jiān)控故障狀態(tài)。該模塊安裝在HIC端子板。HiC2821：單通道DI安全柵24現(xiàn)在是24頁\一共有44頁\編輯于星期三撥片開關設置撥片開關位于安全柵背面，安全柵輸出可以通過DIP開關設置。25現(xiàn)在是25頁\一共有44頁\編輯于星期三KFD2-UT2-Ex1特性單通道隔離安全柵24伏直流電源（電源軌）輸入值：熱電偶，熱電阻，或電壓電流輸出4~20mA有源和無源模式可選PACTware進行組態(tài)在線故障監(jiān)測26現(xiàn)在是26頁\一共有44頁\編輯于星期三功能詳述該安全柵應用于本安場合。目的是連接位于危險區(qū)的RTD、熱電偶、或電位器等一次元件，并轉(zhuǎn)換成線性的4~20mA信號至安全區(qū)。安全柵在輸入，輸出，和電源之間提供了獨立的3端子接口?？刹鹦抖俗訅Kk-cjc**可以提供熱電偶內(nèi)部的冷端補償。紅色LED用于故障報警提示。使用電源軌系統(tǒng)時，提供了集成的錯誤信息功能。安全柵可以通過PACTware?組態(tài)軟件編程的。27現(xiàn)在是27頁\一共有44頁\編輯于星期三KFD2-UT2-Ex2特性雙通道隔離安全柵24伏直流電源（電源軌）輸入值：熱電偶，熱電阻，或電壓可作為信號分離器（一入兩出）電流輸出4~20mA有源和無源模式可選PACTware進行組態(tài)在線故障監(jiān)測28現(xiàn)在是28頁\一共有44頁\編輯于星期三功能詳述使用方法與KFD2-UT2-Ex1型號基本一致，但是多一個輸出端子，可輸出兩路相互隔離的信號，當用戶同時應用DCS和ESD時，可以提供給使用同一信號源的兩臺設備使用，有效地將兩個系統(tǒng)隔離開來，避免系統(tǒng)之間互相影響。29現(xiàn)在是29頁\一共有44頁\編輯于星期三KFD2-STC4-Ex1

KFD2-STC4-Ex1.2O特性單通道隔離柵24VDC供電（電源軌）輸入可接2線和3線智能變送器和2線智能電流源輸出4~20mA（KFD2-STC4-Ex1為單入單出

KFD2-STC4-Ex1.2O一入兩出）30現(xiàn)在是30頁\一共有44頁\編輯于星期三功能詳述該安全柵應用于本安場合。在危險區(qū)域的設備供應2線和3線智能變送器，也可以采用2線制智能電流源。它將模擬輸入信號傳輸?shù)桨踩珔^(qū)，作為獨立的電流值。數(shù)字信號可以疊加在危險區(qū)或安全區(qū)的輸入信號，并且是雙向傳輸。如果回路中的HART通訊器電阻太低，可以使用8，9端子或11，12端子的250?負載電阻。31現(xiàn)在是31頁\一共有44頁\編輯于星期三P+F安全柵組態(tài)P+F安全柵組態(tài)是使用PactWare軟件，安裝該軟件的計算機通過專用的K-ADP-USB電纜與安全柵的接口連接。打開軟件后，進入組態(tài)畫面?，F(xiàn)在是