計装技術者はどのようにして計装のパイロット安全回路を計算するのか？

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この投稿は最終的にyunrunによって2019年9月25日22時13分に編集されました。石油や石油化学などのプロセス産業では、爆発の危険がある環境が生じることがあり、実際の運用においてはシステム内の関連機器に対して適切な防爆対策を講じなければなりません。自己制御計装機器で採用されている防爆技術には、本安（E*）、隔爆（Ex d）、増安（Ex e）、正圧（Ex p）、注入封止（Ex m）など、さまざまなタイプがあります。多くの防爆技術の中で、本安防爆技術は点火源のエネルギーを抑制することを防爆手段とする安全技術として、構造がシンプルで体積が小さく重量も軽い、通電状態でのメンテナンスや校正、部品の交換が可能などの利点から、現在、様々な産業分野のプロジェクトで広く利用されている。 ある化学プロジェクトにおいて、発注者は次のように提案した。過去のプロジェクトの経験から、本安回路に対して厳格な計算を行わない場合、製造工程において依然として約30％の回路に安全上のリスクが存在するというのだ。現時点で国内において本安計算に特別な要件はないものの、発注者はプロジェクト設計段階において各本安回路に対して厳格な本安回路計算を行うことを要求しており、この本安回路計算は国際電気標準会議IEC 60079-14:2007の関連規定に基づいて行われる。 本安回路の計算 yunrun.com.cn/tech/2710.html 本安回路設計の基本要件：制御回路の電気的パラメータ（インダクタやキャパシタなどの蓄エネルギー素子の値を小さくするなど）を調整するか、回路の電流や電圧を下げることにより、回路が本安防爆の要求を満たすようにする；回路内の部品には十分な出力が必要であり、接続用の導線も十分な断面積を持たなければならない。これにより、さまざまな故障状況下で発生しうる高電圧や大電流が部品の性能を損なうことがなく、部品の信頼性によって回路の信頼性が保証される。これには、関連する安全規格の要件を満たし、安全な生産をより確実なものにするために、本安回路内の対応する電気部品のパラメータを計算する、すなわち本安回路の計算が求められます。 1. ペリフェラル防爆技術の概要
ペリフェラル防爆技術の基本原理は、エネルギーを制限することによって防爆を実現するものです。この技術により、回路が正常な状態であれ異常な状態であれ、回路内のエネルギーを許容範囲内に確実に抑えることができます。これにより、電気機器に短絡や部品の損傷が発生した場合でも、周囲に存在する危険なガスが爆発するのを防ぐことができます。 本質安全防爆システムは、略して本安回路システムと呼ばれ、図1に示すように、現場用本安機器、本安ケーブル、および関連機器の3つの部分で構成されています。システム回路はセーフガードを境界として、本質的安全回路と非本質的安全回路に分けられる。セーフティガードからインパルスケーブルを介して現場計器に接続された回路は、インパルス回路である；セーフティガードからDCS、そして電源までの回路は非本安回路です。 http://yunrun.com.cn/upload/201909/25/201909252207051288.png 図1 典型的な本安回路の模式図 ①現場用本安機器 ◆単純な機器 規格IEC60079-14によれば、スイッチ、接続箱、抵抗、および単純な半導体部品といった受動素子は、単純な機器と見なされる；キャパシタやインダクタなどのエネルギー貯蔵用アクティブ素子については、その設計パラメータがシステム全体の安全性を保証できる場合、単純な装置と見なすことができる；熱電対や太陽電池など、エネルギーを生成するアクティブな部品について、その生成するエネルギーの電圧が1.5Vを超えず、電流が100mAを超えず、かつ出力が25mWを超えない電気機器は、このような機器を単純機器と見なすことができる。それらは防爆認証を必要とせず、安全回路内に自由に配置できる。 ◆本安機器とは、蓄エネルギー素子を備え、トランスミッターや接近センサーなど、防爆認証が必要な本安電気機器のことです。 ②本安ケーブル：計器と制御室を結ぶ接続ケーブルには、ある程度の分布容量と分布インダクタンスが存在する。特に距離が長い場合や、計器の設計パラメータが本質的安全性で許容される最大値に近い場合には、分布定数を考慮し、配線長を制限する必要がある。これは、分布インダクタンスと分布キャパシタンスがどちらもエネルギーを蓄えるためであり、ケーブルに障害が発生すると、この蓄えられたエネルギーが電気スパークや熱効果の形で放出され、点火の危険性をある程度高め、システムのインセーフ性能に影響を与えるのです。 ケーブルの許容最大分布静電容量：Cc=Ck×L ケーブルの許容最大分布インダクタンス：Lc=Lk×L ここで、Ckはケーブルの単位長さあたりの分布静電容量である；Lkはケーブルの単位長さあたりの分布インダクタンスです；Lは実際の配線長です。 ③関連機器（セーフティガード） セーフティガードは、本質的安全防爆計装システムで最も一般的に使用される関連機器であり、本質安全回路と非本質安全回路の間に接続されます。その役割は、電流や電圧を制限し、危険なエネルギーが本質安全回路内に侵入するのを防ぐことで、本質安全回路の安全性を確保することです。セーフガードには、主にジーナ型セーフガードと絶縁型セーフガードの2つのタイプがあり、現在ではジーナ型セーフガードは徐々に絶縁型セーフガードに置き換えられている。 2、本質的安全形防爆計器システムの認証方法 現在、国際的に各検査機関が採用している本質的安全形防爆計器システムの検査認証方法には、システム承認、パラメータ承認、およびFISCO（fieldbus intrinsically safe concept）承認の3種類がある。 ①システム認定 システム認定は「連合証明」とも呼ばれ、検査対象の指定防爆計器と検査対象の指定関連機器を組み合わせて構成されるシステムに対して行う認定のことです。承認された後は、システム内のいかなる機器も、検査機関によってこの組み合わせ方で検査・承認されたもの以外の、いかなる他の型式や規格の本安機器（計器）や関連機器によっても代替することはできない。 現在、中国の検査機関が認めている方法は主にシステム認証ですが、この認証方法は本安計器やセーフガードの種類が多い場合、認証手続きが煩雑になりすぎるため、現在の工業デザインにはあまり適していません。 ②パラメータ認証 海外のプロジェクトでは、パラメータ認証がよく使用されています。パラメータ認定とは、単一の機器（本安計器または関連機器）に対して行う検査認定であり、それに応じた一連の安全パラメータを示すことです。通常、この方法で認定された本安機器は、互換性のある安全パラメータを持つ関連機器と接続して使用することができます。アメリカのFM（ファクトリー・マイニング・グループ）は、この認定方法を「全体認定」と呼び、対応する安全パラメータを「全体パラメータ」と呼んでいる。これらのパラメータには、以下のものが含まれます：◆本安機器の全体的なパラメータであるUiとは、故障時に本安機器が許容できる最大電圧です；Iiは、故障時におけるインパルス安全機器が許容できる最大電流です；Ciは、インピーダンスセーフ機器内の保護されていないコンデンサです；Liは、本安機器内部にある保護されていないインダクタです。 ◆関連機器の全体的なパラメータ：Uoは開路電圧であり、故障時に危険な場所に伝わり得る最大電圧です。Ioは短絡電流であり、故障時に危険な場所に伝わり得る最大電流です；Co—関連デバイスは最大で外部コンデンサの接続を許可する；Lo—は、関連機器に許容される最大の外部インダクタンスです。 パラメータ認定を採用することで、ユーザーは防爆システムの設計時に、関連機器と防爆機器の全体的なパラメータを比較するだけでよい。これらが以下の関係式を満たしている場合、検査機関の認可を受けることなく、本安全システムを構築することができる。 セーフガード、イーノックス計器、ケーブルの安全パラメータのマッチングには、表1に示す5つの不等式を満たす必要があります。表1　シンプルなイーノックス回路の計算における5つの不等式　式　セーフガードのパラメータ　安全パラメータのマッチング条件　イーノックス計器のパラメータ＋ケーブルのパラメータ　1　Uo ≤ Ui　2　Io ≤ Ii　3　Po ≤ Pi　4　Co ≥ Ci＋∑Cc　5　Lo ≥ Li＋∑Lc　注：∑Lcおよび∑Ccは、接続されているケーブルの分布容量および分布インダクタンスです。 パラメータ認定は、現在海外のプロジェクトで広く用いられている認証方法であり、中国の**級計測器安全監督局によっても認められています。表1にある5つの不等式は、本安回路が規格要求を満たしているかを判定するための鍵となります。 ③FISCOは、いわゆるフィールドバスの本質的安全性という概念を認めています。このモデルはドイツのPTB（Physikalisch Technische Bundesanstalt）によって開発されたもので、FISCOによりProfibus-PAを本質的安全な防爆方式で設置し、Ex区域での利用が可能になります。FISCOは、EE*a IICおよびEE*b IIC/IIBのエンドレス防爆方式に適用されます。研究によると、Profibus-PAのセグメントに接続可能な現場計器の数は、セグメントコネクタの電力特性によってのみ制限され、1つのセグメントに接続できる現場計器の数は最大値に達する。セグメントはFISCOの制限内で拡張可能であり、別途アインソーレーションの計算を行う必要はない。異なるメーカー製の現場計器は互換性があり、別途アイソレーション計算を行う必要はないが、交換する計器はFISCOの認証を受けたものでなければならない。特に重要な点は、システム認証が不要で、いくつかの主要なパラメータの一致を確認するだけでよいということです。 FISCO認証は以下の条件によって制限されます。 a) 各セクションには電源を1つのみ許可する。 b) すべてのステーションはFISCOモデルに準拠し、検証に合格していなければならない。 c)ケーブルの長さは1000m（防爆タイプia）/1900m（防爆タイプib）を超えてはならない。 d)ケーブルの仕様は、以下の値を満たさなければならない：R′=15～150Ω/km、L′=0.4～1mH/km、C′=80～200nF/km。 e) 電源装置と現場機器のあらゆる組み合わせにおいて、故障時には、任意の現場機器が許容される入力変数（Ui、Ii、Pi）が、該当する電源装置の最大可能かつ認定された出力変数（Uo、Io、Po）を上回ることが保証されなければならない；アメリカでは：Vmax、I max、Pmax）。 3、イーデン回路の計算 IEC 60079-14:2007の12.2.5項には、「各イーデン回路が認証を受けていない限り、すべてのイーデン回路は当該規格に基づいてイーデン計算を行うべきである」と規定されている。プロジェクトの発注者は過去の経験から、本安計算を行わない場合、たとえ本安計器や本安ケーブル、そしてそれに適合したセーフガードを選択しても、依然として回路の30％に安全上のリスクが存在すると考えている。リスクを低減するため、プロジェクトで使用されるバイオン安全回路には、関連する計器およびセーフガードのバイオン安全認証証明書、ならびにバイオン安全回路の計算書が必要となります。 ①1台の関連機器のインパルス回路計算 ◆シンプルなインパルス回路 シンプルなインパルス回路は図2に示す通りです。 http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212207179401.png 図2 シンプルな安全回路 回路LIA+S+100.01を例に計算し、表2に示す。 表2 回路LIA+S+100.01のパラメータ http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220221569366.png 上記のパラメータを計算した結果、表1に記載されている5つの不等式の条件を満たしているため、この回路は本安計算を通過し、防爆エリアで使用することができる。 ◆混合型パイロット回路の設計において、差圧式液面変換器LT100.01はタンクの上部に設置され、データの読み取りを容易にするため、地上に現地表示計器LI100.01を1台追加し、図3に示すように前の回路に直列に接続される。 http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212213525326.png 図3 混合回路LIA+S+100.01 IEC 60079-14:2007の12.2.5.2項によると、「もし総分布インダクタンスと総分布キャパシタンスの両方が1%Loおよび1%Coを超える場合、計算時にはLoとCoの両方を2で割る必要がある」。この種の混合回路には、図4に示すようないくつかのケースがあります。 図4 混合回路本安回路計算ロジック（図注：Li=Li1+Li2；Ci=Ci1+Ci2) a) 回路にケーブルのLcとCcのみが含まれ、現場計器のインダクタンスの合計Liまたはキャパシタンスの合計Ciのいずれもが0、またはそのうちの一方が0の場合、インセーフ計算は表1にある5つの不等式に従って行われる。 b) Ci≤1CoまたはLi≤1Loの場合、本安計算は表1の5つの不等式に従って行う。 c) Ci＞1CoかつLi＞1Loの両方が同時に満たされる場合、表1のインダクタンスおよびキャパシタンスに関する不等式に従って計算することはなく、このときセーフガードのインダクタンスおよびキャパシタンスの値は2で割ってから計算に用いられ、その値は表3に示されている。 表3 混合本安回路計算の5つの不等式　公式　安全ゲートパラメータ　安全パラメータ適合条件　本安計器パラメータ＋ケーブルパラメータ　1 Uo ≤ Ui　2 Io ≤ Ii　3 Po ≤ Pi　4 Co/2 ≥ Ci+∑Cc　5 Lo/2 ≥ Li+∑Lc　同様に回路LIA+S+100.01を例に計算した結果は、表4に示す。回路には指示計LI100.01が直列に接続されている。 表4 混合回路LIA+S+100.01のパラメータ http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220245022546.png Li=Li1+Li2=0.73+0.04=0.77mH；Lo=4.2mH；Li＞1%Lo；Ci=Ci1+Ci2=22.5+0=22.5nF；Co=83nF；Ci＞1%Co；Li＞1LoかつCi＞1Coという2つの不等式を同時に満たす場合、インパルス計算では表3の不等式に従って計算を行うが、その結果はいずれもCo/2≥Ci+CcおよびLo/2≥Li+Lcを満たさない；したがって、この回路はインパルス計算を通過していない。 解決方法：1つの回路を2つの独立したシステムへの回路に分割し、1つのAO出力用のセーフガードを追加する。これにより2つの単純なバイアス回路ができる（図5参照）。2つの回路それぞれについて計算を行えば、どちらもバイアス計算を通過する。 http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212358132679.png http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220002179350.png 図5 混合型イーベーア回路を単純なイーベーア回路に分割する ②複合型イーベーア回路の計算 イーベーア回路に2つ以上の関連機器が含まれている場合、または2つ以上のイーベーア回路が結合されている場合、全体のイーベーアシステムは厳密な理論計算、またはIEC規格で定められたスパーク試験を受けなければならない。 しかし、1つのセーフガードが2つの回路に接続されている場合（図6）、または1つの検出回路に2つのセーフガードが関与している場合（図7）のアイソレーション回路の計算方法はかなり複雑であり、許容可能なインダクタンス値や許容可能なキャパシタンス値は、対応する点火曲線を参照しなければ求めることができない。そのため、設計上はできるだけこのような回路の使用を避けるべきである。 http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220144278433.png 図6 セーフガードを並列に接続したバイオン安全回路 http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220017326549.png 図7 1つの検出ポイントから2台のセーフガードに接続されるバイオン安全回路 ③バイオン安全回路内の単純な機器の温度要件 単純な機器の場合、一部の資料では防爆認証が不要であり、バイオン安全回路内に自由に設置できると記載されている。しかし、表面温度が防爆性に与える影響により、測定対象の媒体の温度が高い場合、熱が計器に伝わって電気部品の表面温度が過度に上昇し、防爆区域で定められた温度レベルを超えてしまいます。そのため、延長型の計器を使用するか、分割して設置することで、電気機器が認証書で許可されている温度範囲内で動作するようにしなければなりません。 ④FFバスのインセンシティブ回路におけるインセンシティブ計算、FF現場計器の防爆方法は、エクスパローションプルーフ型（EEx d）、インセンシティブセーフティ型（EE*）、スパークフリー型（EEx nL）が主流であり、フィールドバス財団はエラー耐性と通電状態でのメンテナンスの安全性を考慮し、基本的にEE*防爆方法を推奨している。 a) プロセス安全型のメインおよびブランチで、図8に示すように防爆エリア1で使用される。この方式は、セーフティガードをH1カードと電源配線、および現場計器の間に設置するもので、その利点はメインラインとブランチラインの両方が本安型となり、どちらも通電状態でのメンテナンスが可能であることです。しかし、この案は実際の運用においてしばしば困難を伴う。その理由は、各ネットワークセグメントのトポロジ構造が複雑で計測機器の種類も多いため、ネットワークセグメントの分布容量やインダクタンスを計算することが非常に困難であり、特に分岐部の分布容量やインダクタンスは計算不可能だからです。また、セーフガードの出力制限により、各ネットワークセグメントで接続できる計器の数やケーブルの長さが大きく制限されます。 http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220043423777.png 図8 プリンシパルインターナル型のメインバスおよびサブバス　FFフィールドバスもFISCOモデルを採用している。簡単に言えば、従来のプリンシパルインターナル型計器の認証に加えて、フィールドバスの要件に合わせた追加の要求事項が設けられている。これにより、各ネットワークセグメントをこれらの制限に厳密に従って設計すれば、フィールド計器を追加したり変更したりしても、複雑な安全性の計算を行う必要がない。 幹線と分岐線の両方が本安であるこの方式には、明らかな欠点がある。まず、セーフガードには冗長性がないため、これがセーフガードをネットワークセグメント全体のセキュリティ上のボトルネックとしているのです；次に、同じネットワークセグメント内では、Entity認証を受けた現場計器とFISCO認証を受けた現場計器を単純に混在させることはできません。つまり、Entity認証の現場計器はEntityの電源に接続しなければならず、FISCO認証の現場計器はFISCOの電源に接続しなければなりません；第三に、FISCOネットセグメントではEntityネットセグメントよりも多くの計測器を接続できるが、それでも6台までであり、ネットセグメントを増やすことで投資コストが非常に高くなる。 b) 防爆区域1向けの増安形本管と本安形支管。この方式は、フィールドバリア（Fieldbarrier、EEx meIICT4）技術の発展に基づいて確立されたもので、その考え方は、エネルギー制限機能を持つバリアをメインラインの始点から各分岐部、すなわちチキンクロー型接続箱内に移し、各現場計器ごとにエネルギーを制限することによって、FISCO計器とEntity計器の両方をサポートし、両者を同一のネットワークセグメントで混在させることができるようにするものです。このバスのインパルス計算は、現場セーフガードから現場計器まで、パラメータ認証の方法に従えばよいだけです。この方法は現在、比較的実用的であり、ますます多くのユーザーに受け入れられています。 近年、中国がIECEx制度に全面的に参加するにつれて、防爆電気製品の試験および認証技術においても、中国は基本的に国際基準に準拠するようになった。中国の石油や化学などの危険な産業分野において、本安防爆技術が広く利用されるようになるにつれて、本安防爆システムもますます重視されるようになってきています。本安防爆システムの設計にも、より厳格な規格が存在し、本安計算はエンジニアリング設計において欠かせない作業となる。これにより、中国で急速に発展している石油、化学、石炭などの爆発危険性の高い産業において、より確実な安全保障が提供されることになる。興味のある方は、「昌晖計測器ネット」にアクセスして、計測器の自動制御技術の向上に役立つ有益な記事をぜひご覧ください。 著者：ワン・ジェン