Как специалисты по приборам выполняют расчеты для интегральных безопасных цепей приборов?

Thread Content

Последнее изменение в этом посте было сделано yunrun 25.09.2019 в 22:13. В таких отраслях, как нефтегазовая промышленность и химическая промышленность, может возникать потенциально взрывоопасная среда. Поэтому на практике необходимо принимать соответствующие меры по защите оборудования, находящегося на производстве, от взрывов. Основные типы взрывозащищенных технологий, используемых в оборудовании для автоматического управления, включают: защиту по принципу инертной атмосферы (E*), взрывозащиту с разделением зон (Ex d), повышенную степень взрывозащиты (Ex e), защиту под давлением (Ex p) и герметизацию (Ex m). Среди множества технологий защиты от взрывов технология инертной атмосферы является одной из таких технологий. Она представляет собой метод безопасности, основанный на снижении энергии источника возгорания. Благодаря простоте конструкции, небольшим размерам и низкой массе, а также возможности проведения работ при подключенном питании, калибровки и замены компонентов, эта технология широко используется в проектах различных отраслей. В рамках одного химического проекта заказчик заявил, что, исходя из опыта предыдущих проектов, если не провести тщательные расчеты для защитных цепей, то в процессе производства у примерно 30% таких цепей будут сохраняться потенциальные риски. Даже если в настоящее время в стране нет особых требований к защите от взрывов, заказчики тем не менее требуют проводить строгий расчет каждой цепи, защищенной от взрывов, на этапе проектирования проекта. Основой для таких расчетов являются соответствующие положения стандарта Международного электротехнического комитета IEC 60079-14:2007. Расчет защищенных цепей: yunrun.com.cn/tech/2710.html. Основные требования к проектированию защищенных цепей: необходимо регулировать электрические параметры контрольной схемы (например, уменьшать параметры элементов накопления энергии, таких как индуктивности и конденсаторы), либо снижать ток и напряжение в схеме, чтобы она соответствовала требованиям безопасности при использовании в взрывоопасных средах ； Компоненты в цепи должны обладать достаточной мощностью, а соединительные провода — достаточной площадью поперечного сечения, чтобы высокое напряжение и большие токи, возникающие при различных неисправностях, не нарушали работоспособности компонентов. Надежность цепи обеспечивается за счет надежности ее компонентов. Это требует расчета параметров соответствующих электрических компонентов в интрагенерной цепи, то есть проведения расчетов для интрагенерной цепи, с целью соблюдения соответствующих стандартов безопасности и обеспечения более надежной безопасности производства. 1. Краткое описание технологии защиты от взрывов по принципу «инертной среды». Основной принцип этой технологии заключается в ограничении энергии для предотвращения взрывов. Данная технология позволяет надежно удерживать энергию в цепи в допустимых пределах как в нормальных, так и в аномальных условиях. Это обеспечивает безопасность, даже в случаях короткого замыкания или повреждения компонентов, и предотвращает возможный взрыв опасных газов, находящихся поблизости. Система электробезопасности класса «интегральная безопасность», сокращенно система интегральных цепей, состоит из трех компонентов: оборудования класса «интегральная безопасность», используемого на месте, кабелей этого типа, а также связанного с ними оборудования, как показано на рисунке 1. Системные цепи делятся с помощью защитных барьеров на эндогенно безопасные цепи и неэндогенно безопасные цепи. Цепь, состоящая из защитного барьера и приборов на месте, соединенных с ним через инертные кабели, является инертной цепью ； Цепи, идущие от защитного барьера к DCS и к источнику питания, являются неинтегральными цепями. http://yunrun.com.cn/upload/201909/25/201909252207051288.png Рисунок 1. Схематическое изображение типичной защищенной цепи. ① Полевое защищенное оборудование. ◆ Простое оборудование. Согласно стандарту IEC60079-14, пассивные компоненты, такие как выключатели, коробки подключения, резисторы, а также простые полупроводниковые компоненты, считаются простым оборудованием ； Что касается активных компонентов для хранения энергии, таких как конденсаторы и индукторы, то если их параметры проектирования обеспечивают полную безопасность системы, их можно считать простыми устройствами ； Активные компоненты, генерирующие энергию, такие как термоэлектрические пары и фотоэлементы, при условии, что напряжение, генерируемое ими, не превышает 1,5 В, ток — 100 мА, а мощность — 25 мВт, считаются простыми устройствами. Им не требуется сертификация на взрывобезопасность, их можно свободно использовать в инертных цепях. ◆Аппаратура в зоне безопасности содержит элементы накопления энергии; это электрические устройства, работающие в таких условиях и требующие сертификации на взрывобезопасность, такие как трансмиттеры, датчики близости и т. д. ②У кабелей типа «Безопасность» для соединения приборов с комнатой управления существует определенное количество распределенной емкости и распределенной индуктивности. Особенно в тех случаях, когда расстояние между приборами велико или параметры их конструкции близки к максимальным значениям, допускаемым принципом энхансированной безопасности, необходимо учитывать эти распределенные параметры и ограничивать длину кабелей. Это связано с тем, что распределенная индуктивность и распределенная емкость представляют собой источники накопленной энергии. При возникновении неисправностей в кабеле эта энергия высвобождается в виде электрических искр или тепловых эффектов, что в разной степени увеличивает риск возникновения пожара и влияет на безопасность функционирования системы. Максимально допустимая распределенная емкость кабеля: Cc = Ck × L. Максимально допустимая распределенная индуктивность кабеля: Lc = Lk × L. Здесь Ck — это распределенная емкость кабеля на единицу длины ； Lk — индуктивность кабеля на единицу длины ； L — это фактическая длина прокладки. ③Сопутствующее оборудование (защитные барьеры) – защитные барьеры являются наиболее часто используемым сопутствующим оборудованием в системах взрывозащищенных приборов с принципом инхаусной безопасности. Они соединяют инхаусные и неинхаусные цепи; их функция заключается в ограничении тока и напряжения, чтобы предотвратить попадание опасной энергии в инхаусные цепи и тем самым обеспечить безопасность таких цепей. Барьеры безопасности делятся в основном на две категории: зиновские барьеры безопасности и изолирующие барьеры безопасности. В настоящее время зиновские барьеры безопасности постепенно заменяются изолирующими барьерами безопасности. 2. Методы сертификации систем взрывозащищенных приборов с встроенной безопасностью В настоящее время международные инспекционные организации используют три метода для проверки и сертификации таких систем: сертификация системы в целом, сертификация отдельных параметров и сертификация по стандарту FISCO (fieldbus intrinsically safe concept). ①Признание системы. Признание системы, также называемое «совместным подтверждением качества», означает признание системы, сформированной путем соединения проверяемого измерительного устройства с безопасным электропитанием и связанных с ним устройств. После утверждения ни одно устройство в системе не может заменяться каким-либо другим типом или моделью устройств с защитой от взрывов (измерительных приборов) или связанных с ними устройств, которые не были проверены и утверждены соответствующим органом контроля в соответствии с этой комбинацией параметров. В настоящее время в Китае основным методом аккредитации лабораторий является системная аккредитация, однако при большом количестве типов устройств класса intrinsically safe процедура аккредитации становится слишком сложной, поэтому она уже не так подходит для современного промышленного дизайна. ②Параметрическое сертифицирование чаще используется в зарубежных проектах. Под подтверждением параметров понимается проверка отдельного устройства (изделия с функцией защиты от взрывов или связанных с ним устройств), после чего определяется набор соответствующих параметров безопасности. Как правило, устройства типа «инклюзивной безопасности», сертифицированные с использованием этого метода, могут использоваться в сочетании с смежными устройствами, имеющими совместимые параметры безопасности. Американская организация FM (Factory Joint Research Association) называет этот метод сертификации «целостной сертификацией», а соответствующие параметры безопасности — «целостными параметрами». Эти параметры включают следующее: ◆ Общий параметр защищенного устройства Ui — это максимально допустимое напряжение для защищенного устройства в условиях сбоев ； Ii — максимально допустимый ток защищенного устройства в условиях неисправности ； Ci — это незащищенный конденсатор внутри устройства типа «инцидент» ； Li — это незащищенный индуктор внутри устройства типа «безопасность». ◆Общие параметры связанных устройств: Uo — это напряжение при разрыве цепи, то есть максимальное напряжение, которое может попасть в опасную зону в условиях неисправности; Io — это ток при коротком замыкании, то есть максимальный ток, который может попасть в опасную зону в условиях неисправности ； Устройства Co-связи позволяют подключать максимально возможную емкость ； Lo — максимальная внешняя индуктивность, разрешенная для подключаемого оборудования. Благодаря использованию параметрического подтверждения при проектировании систем с защитой от взрывов пользователю достаточно сравнивать общие параметры связанных устройств и устройств с защитой от взрывов. Когда они удовлетворяют следующему соотношению, такая система безопасности может считаться таковой без необходимости сертификации со стороны органов по контролю. Для совместимости параметров защитных устройств, инструментов, работающих в безопасном режиме, и кабелей необходимо соблюсти 5 неравенств, приведенных в таблице 1. Таблица 1. 5 неравенств для расчета простой схемы, работающей в безопасном режиме. Формулы: Параметры защитного устройства; Условия совместимости параметров; Параметры инструмента, работающего в безопасном режиме, + параметры кабеля: 1. Uo ≤ Ui; 2. Io ≤ Ii; 3. Po ≤ Pi; 4. Co ≥ Ci + ∑Cc; 5. Lo ≥ Li + ∑Lc. Примечание: ∑Lc и ∑Cc — это распределенная емкость и распределенная индуктивность соответственно кабелей. Параметрическая проверка является наиболее распространенным методом сертификации, используемым в зарубежных проектах; она также признана Государственной службой надзора за безопасностью измерительных приборов Китая. Пять неравенств, приведенных в таблице 1, имеют решающее значение для определения соответствия схемы безопасности установленным стандартам. ③FISCO поддерживает концепцию интегральной безопасности для так называемых локальных шин. Эта модель была разработана в Германии в институте PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt). Благодаря FISCO становится возможным использование Profibus-PA в условиях высокой опасности, то есть в зонах Ex. FISCO подходит для взрывозащищенных конфигураций EE*a IIC и EE*b IIC/IIB. Исследования показывают, что количество приборов, подключаемых к сегментам Profibus-PA, определяется исключительно характеристиками питания соединителей сегментов. Максимальное количество приборов, которые могут быть подключены к одному сегменту, уже достигнуто. Сегменты можно расширять в рамках ограничений FISCO, без необходимости повторного проведения расчетов, связанных с принципом инклюзивной безопасности. Приборы от разных производителей могут быть заменены друг на друга без необходимости повторной проверки на соответствие принципам безопасности, однако заменяемые приборы должны иметь сертификат FISCO. Особенно важно то, что не требуется системная аутентификация — достаточно лишь проверить соответствие некоторых основных параметров. Аутентификация FISCO ограничивается следующими условиями. а) В каждом сегменте допускается только один источник питания. б) Все станции должны соответствовать модели FISCO и пройти проверку на соответствие. в) Длина кабеля не должна превышать 1000 м (тип взрывозащиты IA)/1900 м (тип взрывозащиты IB). д) Параметры кабеля должны соответствовать следующим значениям: R′=15–150 Ом/км, L′=0,4–1 мГн/км, C′=80–200 нФ/км. е) Все комбинации источников питания и полевого оборудования должны обеспечивать такое условие: в случае сбоя допустимые значения входных параметров любого полевого устройства (Ui, Ii, Pi) должны превышать максимально возможные и допустимые значения выходных параметров соответствующего источника питания (Uo, Io, Po) ； В США: Vmax, I max, Pmax). 3. Расчет защищенных цепей согласно IEC 60079-14:2007, пункт 12.2.5: «Если только отдельная защищенная цепь не прошла сертификацию, все защищенные цепи должны подвергаться расчетам в соответствии с этим стандартом». Исходя из прошлого опыта, владельцы проектов считают, что даже при использовании изделий, соответствующих требованиям безопасности, а также кабелей такого же типа и соответствующих защитных устройств, при отсутствии проведения расчетов, связанных с обеспечением безопасности, в 30% случаев все равно существуют риски для безопасности. Для снижения рисков все используемые в проекте интегральные цепи должны сопровождаться сертификатами соответствия стандартам интегральных цепей от соответствующих приборов и защитных устройств, а также расчетами для таких цепей. ①Расчет интегральной схемы для связанного устройства ◆ Простая интегральная схема. Простая интегральная схема показана на рисунке 2. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212207179401.png Рисунок 2. Простая защищенная схема. Расчет проводится для схемы LIA+S+100.01; результаты приведены в таблице 2. Таблица 2. Параметры цепи LIA+S+100.01: http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220221569366.png. После расчетов этих параметров было установлено, что они соответствуют требованиям пяти неравенств, указанных в таблице 1. Следовательно, данная цепь прошла проверку на соответствие требованиям безопасности и может использоваться в зонах с повышенным риском взрыва. ◆Смешанная взрывозащищенная схема. В процессе проектирования датчик давления разницы уровней жидкости LT100.01 устанавливается на верхней части резервуара. Для удобства считывания данных на земле устанавливается дополнительный прибор отображения данных LI100.01, который подключается последовательно к предыдущей схеме, как показано на рисунке 3. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212213525326.png Рисунок 3. Смешанная схема LIA+S+100.01. В стандарте IEC 60079-14:2007 в пункте 12.2.5.2 указано: «Если общая распределенная индуктивность и общая распределенная емкость одновременно превышают значения 1%Lo и 1%Co, то при расчетах значения Lo и Co необходимо делить на 2». У такой смешанной схемы существует несколько вариантов, как показано на рисунке 4. Рисунок 4. Логика расчета защищенной схемы смешанного типа (подпись к рисунку: Li=Li1+Li2) ； Ci = Ci1 + Ci2). а) Если цепь включает только кабели Lc и Cc, то сумма индуктивностей Li или сумма емкостей Ci равны нулю, либо один из этих показателей равен нулю. В таком случае расчеты в режиме инсульта выполняются с использованием 5 уравнений, приведенных в таблице 1. б) Если Ci ≤ 1Co или Li ≤ 1Lo, то расчет в режиме инкрементальной защиты производится с использованием 5 неравенств, приведенных в таблице 1. в) Если одновременно выполняются условия Ci＞1Co и Li＞1Lo, то расчеты не будут производиться с использованием неравенств индуктивности и емкости, приведенных в таблице 1. В этом случае параметры индуктивности и емкости защитного устройства используются в двойном размере при расчетах; эти значения приведены в таблице 3. Таблица 3. Пять неравенств, используемых при расчете смешанных защищенных цепей. Формулы, параметры защитных устройств, условия соответствия параметров безопасности: параметры измерительных устройств в защищенном режиме + параметры кабелей. 1. Uo ≤ Ui; 2. Io ≤ Ii; 3. Po ≤ Pi; 4. Co/2 ≥ Ci + ∑Cc; 5. Lo/2 ≥ Li + ∑Lc. Для примера рассмотрим цепь LIA+S+100.01; результаты расчетов приведены в таблице 4. В цепи подключен индикатор LI100.01. Таблица 4. Параметры смешанной цепи LIA+S+100.01
http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220245022546.png
Li = Li1 + Li2 = 0,73 + 0,04 = 0,77 мГн ； Lo=4,2 мГн ； Li＞1%Lo ； Ci=Ci1+Ci2=22,5+0=22,5 нФ ； Co=83нФ ； Ci＞1%Co ； При одновременном соблюдении двух неравенств: Li＞1Lo и Ci＞1Co, при расчетах в режиме инкрементальных вычислений используются неравенства из таблицы 3. Однако результаты таких расчетов не соответствуют условиям Co/2≥Ci+Cc и Lo/2≥Li+Lc ； Поэтому этот контур не прошел расчеты в режиме инкрементной безопасности. Решение: разделить одну цепь на две отдельные цепи, входящие в систему; добавить защитный барьер для выхода сигнала типа AO. Таким образом получатся две простые интегрально-безопасные цепи (как показано на рисунке 5). Для каждой из этих цепей можно провести расчеты, и в обоих случаях результаты будут соответствовать требованиям интегральной безопасности. http://yunrun.com.cn/upload/201909/21/201909212358132679.png http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220002179350.png Рисунок 5. Разделение смешанной взрывозащищенной цепи на простые взрывозащищенные цепи. ② Расчет сложных взрывозащищенных цепей. Если взрывозащищенная цепь включает два или более связанных устройств, или если две или более взрывозащищенных цепи соединены между собой, то вся взрывозащищенная система должна пройти строгий теоретический расчет или испытания на искры, предусмотренные стандартами IEC. Однако, поскольку методы расчета для инертных цепей, при которых один защитный барьер подключен к двум цепям (как показано на рисунке 6), или одна детекторная цепь включает два защитных барьера (как показано на рисунке 7), являются довольно сложными, максимально допустимые значения индуктивности и емкости можно определить только путем изучения соответствующих кривых зажигания. Поэтому при проектировании стараются избегать использования таких цепей. http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220144278433.png Рисунок 6. Параллельное соединение защитных устройств с безопасными цепями. http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220017326549.png Рисунок 7. Безопасная цепь, в которую подключается одна точка контроля к двум защитным устройствам. ③ Требования к температуре простых устройств в составе безопасных цепей. Что касается простых устройств, то, хотя в некоторых документах говорится, что им не требуется сертификация на соответствие требованиям безопасности, их можно свободно использовать в составе безопасных цепей. Однако из-за влияния температуры поверхности на защиту от взрывов, при высокой температуре измеряемой среды происходит теплопередача к прибору, что приводит к слишком высокой температуре на поверхности электрических компонентов. Это может привести к превышению допустимого уровня температуры в зоне с повышенным риском взрыва. В таких случаях необходимо использовать приборы с удлиненной конструкцией или размещать их отдельно, чтобы электрическое оборудование работало в пределах температурного диапазона, указанного в сертификате. ④Расчет параметров инертной цепи шины FF. Методы защиты полевых измерительных устройств FF от взрывов включают использование устройств с взрывозащитой типа EEx d, устройств с инертной безопасностью типа EE*, а также устройств без искр типа EEx nL. Учитывая требования к надежности при наличии сбоев и безопасности при проведении работ во включенном состоянии, Фонд шин полевых сетей в основном рекомендует использовать метод защиты типа EE*. а) Защищенные от взрывов основные и филиальные линии, предназначенные для использования в зонах с высоким риском взрывов, как показано на рисунке 8. Согласно этому решению, защитный барьер размещается между картой H1 и устройствами для распределения питания, а также между приборами, находящимися на месте установки. Преимущество такого подхода заключается в том, что как основные линии, так и филиальные линии являются «защищенными» по своей структуре, что позволяет осуществлять техническое обслуживание при наличии напряжения. Однако на практике этот план часто оказывается довольно сложным в реализации. Причина в том, что топология каждого сегмента сети довольно сложна, а существует множество различных типов измерительных устройств. Это затрудняет расчет распределенной емкости и индуктивности сегмента сети; особенно сложно рассчитать распределенную емкость и индуктивность в ветвях сети. Кроме того, из-за функции ограничения мощности защитных устройств количество приборов, которые можно подключить к каждому сегменту сети, а также длина кабелей, сильно ограничены. http://yunrun.com.cn/upload/201909/22/201909220043423777.png Рисунок 8. Безопасные основные и филиальные линии FF-промышленных шин также используют модель FISCO. Проще говоря, на основе традиционных стандартов сертификации безопасных измерительных устройств добавляются дополнительные требования, соответствующие потребностям промышленных шин. Это позволяет при проектировании каждого сегмента сети строго соблюдать эти ограничения; таким образом, даже при добавлении или изменении измерительных устройств не требуется выполнять сложных расчетов, связанных с безопасностью. У этого подхода, при котором как основная линия, так и ветви являются интегрально-безопасными, есть значительные недостатки. Во-первых, поскольку защитные барьеры не могут быть резервными, это делает их узким местом с точки зрения безопасности всего сетевого сегмента ； Во-вторых, в одном сетевом сегменте не допускается простое смешивание приборов, прошедших сертификацию Entity, и приборов, прошедших сертификацию FISCO; то есть приборы Entity должны подключаться к источнику питания Entity, а приборы FISCO — к источнику питания FISCO ； В-третьих, хотя в сегменте FISCO можно подключить больше датчиков, чем в сегменте Entity, их количество все равно ограничено 6 штуками; увеличение количества сегментов приводит к высоким затратам на инвестиции. б) Усиленные основные линии и безопасные филиальные линии, предназначенные для зон с взрывоопасной атмосферой 1. Этот подход был разработан на основе технологии полевых защитных барьеров (Fieldbarrier, EEx meIICT4). Суть заключается в том, что защитные барьеры, выполняющие функцию ограничения энергопотока, перемещаются с начала основной линии к отдельным ответвлениям, а именно в коробки подключения, что позволяет ограничивать энергопоток для каждого из приборов непосредственно на уровне данного прибора. Это обеспечивает совместимость приборов FISCO и Entity, что позволяет использовать их в одном сетевом сегменте. Для расчета в режиме интегральной безопасности такой шины достаточно применять метод сертификации параметров от полевого защитного устройства до полевых измерительных приборов. Этот метод в настоящее время считается довольно практичным и все чаще принимается всеми большим количеством пользователей. В последние годы, с полным вступлением Китая в систему IECEx, страна также в значительной степени достигла международных стандартов в области тестирования и сертификации электрической продукции, предназначенной для использования в взрывоопасных средах. По мере широкого применения технологии защиты от взрывов типа «инертный газ» в таких опасных отраслях, как нефтегазовая и химическая промышленность в Китае, системы защиты от взрывов этого типа также получают все большее внимание. Для проектирования взрывобезопасных систем типа «инструментальная безопасность» также существуют более строгие стандарты, которым необходимо следовать. Расчеты, связанные с принципом инструментальной безопасности, становятся неотъемлемой частью процесса проектирования. Это способствует обеспечению более надежной безопасности на предприятиях в таких отраслях, как нефтегазовая промышленность, химическая промышленность и угольная промышленность, где существует высокий риск взрывов, что в свою очередь способствует быстрому развитию этих отраслей в Китае. Если кто-то заинтересован, может посетить сайт «Чанхуэй Инструменты», где доступны многочисленные полезные статьи, способствующие повышению уровня технологий автоматического управления приборами. Автор: Ван Чжэнь