1. 前言
化工生產(chǎn)過程中相當(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，并通過防爆認(rèn)證，構(gòu)成防爆電氣設(shè)備，用來防止爆炸危險(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、無火花型等形式的防爆電氣設(shè)備。對(duì)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(diǎn)，如本質(zhì)安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(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)使得其在過程自動(dòng)控制領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(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。
（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。見圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應(yīng)用在Ex.Zone 1區(qū)，通過點(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
除ET200iSP外，值得一提的是SIMATIC還有防爆ET
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，連接來自Ex.Zone 0區(qū)的本安信號(hào)。ET-200iSP通過本質(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Ex-e端子實(shí)現(xiàn)，在危險(xiǎn)區(qū)不允許拆開此連接。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） ET
在SIMATIC ET 200 產(chǎn)品系列中， ET
• ET
• ET
（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
|
類型 |
規(guī)格 |
防爆級(jí)別 |
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Ex SM321 |
數(shù)字量輸入 4×24VDC ﹤2kHz |
Ex-ibIIC |
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Ex SM322 |
數(shù)字量輸出 4×24VDC或15VDC ﹤100Hz |
Ex-ibIIC |
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Ex SM331 |
模擬量輸入 4/8×mA、mV、TC、RTD、電阻 |
Ex-ibIIC |
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Ex SM332 |
模擬量輸出 4×mA |
Ex-ibIIC |
（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
詳見文后附錄：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無菌制藥生產(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)過程設(shè)備更適宜通過使用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去密集、冗長(zhǎng)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(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，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、ET
• 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)，完成了無菌抗生素晶體的從過濾、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)，非常適合在無菌制藥生產(chǎn)過程推廣。
項(xiàng)目介紹
本項(xiàng)目包括有四臺(tái)過濾、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，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，通過底部的大型金屬過濾板實(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排料閥進(jìn)入料倉，當(dāng)攪拌刮至接近金屬過濾板層時(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。
7) 物料進(jìn)入料倉后進(jìn)行料位檢測(cè)，并分批下裝至計(jì)量倉，通過稱量控制閥門進(jìn)行分裝。至此完成抗生素的無菌過濾，洗滌，干燥，分裝過程。
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、壓力開關(guān)、流量開關(guān)、料位、安全保護(hù)等開關(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合操作區(qū)
3) 信息顯示與操作單元
4) 料倉區(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)械開關(guān)，接近開關(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
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?？刂葡到y(tǒng)通過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^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。