Нередко АСУТП, внедряемые на предприятиях горнодобывающей, химичкой, нефтехимической и газовой промышленности, устанавливаются на участках производства, которые характеризуются повышенной взрывоопасностью следствие либо постоянного присутствия взрывоопасной среды, либо большой вероятности появления такой среды в случае аварии или нарушения течения технологического процесса. Несоблюдение правил обеспечения взрывобезопасности может привести как многочисленным человеческим жертвам, так и необратимому ущербу для окружающей среды. Именно поэтому применение высоконадежных и безопасных технических решений по взрывозащите является одной из главнейших задач, стоящих перед проектировщиками АСУ ТП.
Для возникновения опасности взрыва необходимы следующие неблагоприятные условия:
1. Наличие легковоспламеняющихся паров, жидкостей, газов или горючей пыли;
2. Наличие окислителя - воздуха или кислорода;
3. Образование энергии воспламенения - электрической или тепловой.
Для провоцирования взрыва необходимо наличие перечисленных выше компонентов в определенных пропорциях. Так для того, чтобы произошел взрыв, газо-воздушная смесь должна содержать окислитель в определенном диапазоне концентрации. При этом взрывоопасная смесь должна быть в контакте с телом, которое может передать ему достаточную для воспламенения энергию (например, с сильно нагретым проводником или искрящимся контактом).
Все известные и применяемые на практике методы защиты направлены на уменьшение риска взрыва до приемлемого уровня. При этом если система сконструирована правильно, то единичная неисправность в любом ее компоненте не должна приводить к возникновению взрыва.
В общем случае все методы обеспечения взрывозащиты можно условно разделить на четыре основные группы.
Методы взрывозащиты, направленные на снижение вероятности возникновения электрической искры.
По данному методу реализуются следующее виды защиты:
1. Взрывозащита вида "е" (повышенная безопасность) предусматривает дополнительные конструктивные меры против возможного превышения допустимой температуры и возникновения дуговых и искровых разрядов, которые при нормальной работе не проявляются;
2. Взрывозащита вида "n" предусматривает дополнительные конструктивные меры против возможности превышения допустимой температуры и возникновения дуговых и искровых разрядов при нормальной и некоторых ненормальных режимах работы;
3. Взрывозащита вида "s" (специальный) может обеспечиваться следующими средствами: заключением электрических цепей в герметичную оболочку со степенью защиты IР67; герметизацией электрооборудования материалом, обладающим изоляционными свойствами (компаундами, герметиками); воздействием на взрывоопасную смесь устройствами и веществами для поглощения или снижения концентрации последних.
Методы взрывозащиты, направленные на изоляцию электрических цепей от взрывоопасных смесей.
Метод подразумевает заключение электрических цепей в специальные оболочки, заполненные газообразным, жидкостным или твердым диэлектриком так, чтобы взрывоопасная смесь не находилась в контакте с электрическими цепями.
По данному методу реализуются следующие виды взрывозащиты:
1. Взрывозащита вида "m" - заливка специальным компаундом;
2. Взрывозащита вида "о" - масляное заполнение оболочки;
3. Взрывозащита вида "a" - заполнение оболочки кварцевым песком;
4. Взрывозащита вида р" - заполнение или продувка оболочки взрывобезопасным газом под избыточным давлением.
Методы взрывозащиты, направленные на сдерживание взрыва.
По данному методу реализована взрывозащита вида "d" (взрывозащитная оболочка).
Данный метод подразумевает, что электрические цепи помещены в специальную прочную оболочку с малым зазором. При этом не исключается контакт электрических цепей с взрывоопасной смесью и возможность ее воспламенения, но при этом гарантируется, что оболочка сдерживает возникшее в результате взрыва избыточное давление, т.е. вспышка не выходит за пределы ограничений взрывонепроницаемой оболочки.
Поскольку раскаленные газы имеют различную проникающую способность, то здесь принимаются во внимание подгруппы газов.
Ограничение мощности искры.
По данному методу реализована защита вида 'i' (искробезопасная цепь). Данный метод подразумевает, что в случае возникновения искры ее мощности будет недостаточно для воспламенения взрывоопасной смеси. Однако данный метод не исключает контакта взрывоопасной смеси с электрическими цепями.
Благодаря своей универсальности, безопасности и простоте внедрения, вид защиты "искробезопасная цепь" (IS, intrinsically safe circuit) наиболее часто применяется при построении АСУ ТП, и поэтому далее речь пойдет в основном о нем.
Применение.
Как всегда, рассмотрим все на примере. К системе управления технологическим процессом подключен измерительный преобразователь. Этот преобразователь находится во взрывоопасной зоне. Однако инженеры этот факт не учли и спроектировали систему, как если бы она работала в обычных условиях. Возможные последствия такого неправильного технического решения изображены на рисунке 1:
Рис. 1. Решение, которое не обеспечивает необходимый уровень взрывозащиты.
В первом случае неисправность измерительного преобразователя провоцирует мощный взрыв. Во втором случае происходит искрение полевого кабеля, что также приводит к взрыву.
Теперь инженеры, мудреные опытом, учли все требования по взрывозащите и построили систему, схематично изображенную на рисунке 2. Поскольку сам измерительный преобразователь находится в опасной зоне, его снабжают взрывонепроницаемой оболочкой (взрывозащита вида "d'). Но как видно из предыдущего примера, этого отнюдь не достаточно. Не менее важно обеспечить искробезопасность электрической (сигнальной) цепи, соединяющей преобразователь и модуль аналогового ввода.
Рис. 2. Правильное с точки зрения взрывозащиты решение.
Вот теперь система спроектирована корректно. Неисправность преобразователя не ведет к возникновению взрыва, так как прочная оболочка, в которую помещен полевой преобразователь, сдерживает вспышку и не дает ей распространиться за пределы оболочки. Также теперь учтено, что в результате короткого замыкания, плохого контакта или срабатывания коммутационной части может возникнуть искрение или недопустимый нагрев незащищенного проводника. Об этом заранее позаботились, установив в безопасной зоне специальное электронное устройство, называемое барьером искробезопасности (IS barrier). Из самого названия этого устройства становится ясно, что его главное предназначение - это обеспечение защиты подключенной к нему электрической цепи по методу "искробезопасная цепь".
Барьеры искробезопасности.
В минимальной конфигурации барьер имеет клеммные колодки, к которым подключаются две электрические цепи. Одна цепь образует так называемый искроопасный (незащищенный) сегмент, другая - искробезопасный (защищенный). К незащищенному сегменту относится электрическая линия, связывающая барьер с соответствующим входом или выходом модуля ввода/вывода. Искробезопасный сегмент проходит непосредственно через взрывоопасную зону и соединяет барьер с полевым устройством. При этом чрезвычайно важно помнить, что, хотя барьер и обеспечивает взрывобезопасность подключенной к нему цепи, сам он не является вызрывобезопасным устройством, и его установка в опасной зоне ни при каких условиях недопустима.
Типовая схема подключения барьера изображена на рисунке 3.
Рис. 3. Схема подключения барьера искробезопасности.
На рисунке изображена схема подключения измерительного преобразователя с токовым выходом к модулю аналогового ввода AI 4-20 через промежуточный барьер. Цепь, соединяющая выход преобразователя и вход барьера, представляет искробезопасный сегмент (часто обозначаемый аббревиатурой Ex от слова Explosive), цепь между выходом барьера и входом модуля аналогового ввода образует незащищенный сегмент.
Какой принцип работы барьера? Экспериментально установлено, что для воспламенения взрывоопасной смеси ей нужно передать определенную энергию Qпред. Если энергия электрического тока меньше предельно допустимой Qпред, то гарантируется, что взрыва не произойдет даже при возникновении искры. На этом принципе и построена работа барьера искробезопасности. Естественно, энергию напрямую контролировать сложно, однако можно ограничить мощность электрического тока, протекающего по электрической цепи. Собственно в этом задача барьера и заключается - он осуществляет постоянный контроль и ограничивает мощность электрического тока, протекающего в защищенном сегменте цепи.
Из курса физики известно, что мощность зависит от тока и напряжения и определяется по формуле:
P=U*I.
Барьер регулирует ток и напряжение таким образом, чтобы мощность P никогда не превышала определенное предельно допустимое значение Pпред:
P<Pпред.
Так если по каким-либо причинам ток в защищенном сегменте цепи начнет расти, а вместе с ним и мощность, то барьер постарается снизить прикладываемое напряжение, чтобы обеспечить итоговую мощность электрического сигнала меньшую Pпред. На самом деле определенные ограничения распространяются не только на мощность, но и на максимальный ток и напряжение. Строго говоря, барьер следит, чтобы всегда выполнялись сразу три условия:
P<Pпред;
I<Iпред;
U<Uпред.
Какие бывают барьеры? Барьеры бывают двух типов: пассивные и активные. Пассивные барьеры строятся на основе достаточно простых электронных схем со стабилитронами или диодами Зенера. Их отличительной чертой является отсутствие необходимости подводки к ним внешнего питания, однако они требуют очень аккуратного заземления. Пассивные барьеры в основном применяются для подключения активных полевых устройств, требующих отдельное электропитание. Активные барьеры - более функциональные устройства, и с точки зрения схемотехники конструкция у них несколько сложней. Благодаря наличию в них трансформатора и усилительного каскада, активные барьеры осуществляют гальваническую развязку между подключенными к ним искробезопасными и незащищенными сегментами цепи. Активные барьеры требуют внешнее питание (как правило, от 24 VDC) и служат для подключения пассивных полевых устройств, запитываемых непосредственно по сигнальной цепи.
Барьеры различают по типу подсоединяемого к ним сигнала ввода/вывода. Тут прослеживается полная аналогия с модулями ввода/вывода. В примерах, приведенных выше, мы рассматривали измерительный преобразователь с выходом 4-20 мА; для его подключения к системе управления нам требуется барьер аналогового ввода AI в диапазоне 4-20 мА. Например, если требуется организовать дискретный вывод DO релейного типа, то и соответствующий барьер должен поддерживать дискретный вывод DO релейного типа. В общем смысле различают следующие типы барьеров: DI (дискретный ввод); DO (дискретный вывод); AI (аналоговый ввод) и AO (аналоговый вывод).
Некоторые модели активных барьеров могут также осуществлять преобразование полевого сигнала из одного типа в другой. Например, существуют специальные барьеры для искробезопасного подключения датчиков типа "термосопротивление" (RTD), однако выходной сигнал таких барьеров - это стандартный 4-20 мА. Таким образом, эти барьеры можно подключать к обычным модулям ввода AI 4-20 мА (напомню, что датчики RTD вообще не передают токовый сигнал).
Барьеры также различаются канальностью, т.е. количеством сигнальных цепей, для которых барьер может реализовывать искрозащиту. Наиболее распространены одно- и двухканальные барьеры. Например, к двухканальному барьеру AI2 4-20 мА можно одновременно подключить два датчика с токовым выходом 4-20 мА.
Рис. 4. Барьеры искробезопасности компании GM International.
Классификация взрывоопасных зон.
И напоследок, еще немного теории. Существуют достаточно сложные классификации взрывоопасных зон по различным критериям. Полное описание классификаций заняло бы пару десятков таких статей, поэтому мы остановимся на одной, наиболее часто применяемой при построении АСУ ТП.
Большинство стран Европы, а теперь и Россия, следуют рекомендациям МЭК 79_10, основывающимся на том, что любое место, где существует вероятность наличия взрывоопасной среды, должно быть отнесено к одной из следующих зон:
Зона 0 - зона, в которой взрывоопасная смесь воздуха и газа присутствует постоянно или в течение длительного промежутка времени;
Зона 1 - зона, в которой существует вероятность появления взрывоопасной смеси воздуха и газа при нормальной работе;
Зона 2 - зона, в которой образование взрывоопасной смеси воздуха и газа маловероятно, но если это происходит, то только на короткий промежуток времени.
Любые места, не подпадающие ни под одно из приведенных выше определений, считаются неопасной зоной.
На рисунке 5 показано распределение взрывоопасных зон на примере бензовоза, выгружающего топливо в топливохранилище на АЗС.
Рис. 5. Пример классификации взрывоопасных зон.
Приведенная выше классификация применима для тех зон, где опасность взрыва возникает вследствие наличия горючих паров, газов или тумана. Во многих случаях опасность взрыва обусловлена наличием в атмосфере горючей пыли, которая вместе с воздухом образует взрывоопасную пылевоздушную смесь (мукомольный цех, например). Такие зоны классифицируются аналогичным образом:
Зона 20 - области, в которых потенциально взрывоопасная атмосфера, состоящая из пылевоздушных смесей, присутствует постоянно или в течение длительных периодов времени;
Зона 21 - области, в которых существует вероятность присутствия потенциально взрывоопасной атмосферы, состоящей из пылевоздушных смесей, в нормальных условиях эксплуатации, но атмосфера образуется только иногда и только на непродолжительные периоды времени;
Зона 22 - области, в которых при нормальных условиях работы маловероятно присутствие потенциально взрывоопасной атмосферы, образуемой пылевоздушными смесями, а если она образуется, очень редко и только на непродолжительный период времени.
В то же время устройства, применяемые во взрывоопасных зонах, подразделяются на несколько групп/категорий:
1. Группа 1:
- для подземных работ;
- в шахтах и для открытых горных работ;
- для наземной части шахтного оборудования;
2. Группа 2:
- устройства для использования в других областях.
К каждой из этих групп относится оборудование, которое в свою очередь делится по категориям. Категория определяет зону, в которой может использоваться устройство (см. таблицы ниже). Естественно, оборудование должно быть сертифицировано для применения в той или иной зоне.
Андрей Казанцев
e-mail: [email protected]
