1.       前言

huagongshengchanguochengzhongxiangdangdadeyibufenchangsuoweijuyoubaozhaweixianxingqiticunzaideweixianchangsuo，zidongkongzhixitongzaizheleichanghexiadeyingyongyidingyaozuncongfuhefangbaoanquanjishuguifan。zaibaozhaweixianquneibenzhianquanfangbao（Ex-i）方式是自控設計者經常使用的方法
，本安防爆在過程控製係統工程設計、施工、工程造價以及可操作性和維護性等方麵相對於其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優越性。

西xi門men子zi的de全quan集ji成cheng一yi體ti化hua控kong製zhi係xi統tong在zai危wei險xian區qu的de本ben安an防fang爆bao應ying用yong方fang式shi上shang具ju有you很hen大da的de靈ling活huo性xing。具ju有you大da量liang安an全quan防fang爆bao產chan品pin可ke供gong用yong戶hu設she計ji成cheng為wei滿man足zu不bu同tong要yao求qiu的de本ben安an防fang爆bao係xi統tong，極ji大da的de方fang便bian了le用yong戶hu的de選xuan擇ze和he應ying用yong，用yong戶hu可ke以yi根gen據ju自zi己ji的de實shi際ji情qing況kuang和he資zi金jin情qing況kuang涉she及ji建jian立li最zui符fu合he自zi己ji要yao求qiu的de防fang爆bao控kong製zhi係xi統tong。

本文就西門子防爆係統的幾種應用方式進行了探討和總結
，以求對防爆用戶的設計應用有所幫助啟發。

2.       爆炸性危險場所的劃分  

在危險場所中安全地使用爆炸性環境用電氣設備的前題條件是合理的選擇
、正確的安裝和考慮係統日常生產運行時必要的維護。因此應根據其使用所在的危險場所的性質來合理的選擇防爆電氣設備。

危險場所就是由於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或者爆炸危險的場所。典型的危險場所，如石油化工行業中爆炸性物質的生產、jiagonghezhucunguochengzhongsuoxingchengdehuanjing。duibaozhaxingqitihuanjing
，anchangsuozhongweixianwuzhicunzaishijiandechangduan
，jiangbaozhaxingqitihuanjingweixianquyuhuafenweisangequ，jifenweiEx.Zone0區、Ex.Zone1區和Ex.Zone2區。

Ex.Zone0區：連續出現或長期出現爆炸性氣體混和物的環境。

Ex.Zone1區：在正常運行時可能出現爆炸性氣體混和物的環境。

Ex.Zone2區：在正常運行時不可能出現爆炸性氣體混和物的環境或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混和物的環境。

在工程實踐中，Ex.Zone0區一般隻存在於密閉的容器、貯罐等內部氣體空間，在實際設計過程中Ex.Zone1區也很少存在，大多數情況屬於Ex.Zone2區。

為(wei)實(shi)現(xian)電(dian)氣(qi)設(she)備(bei)防(fang)爆(bao)，工(gong)程(cheng)上(shang)采(cai)取(qu)了(le)多(duo)種(zhong)防(fang)爆(bao)技(ji)術(shu)方(fang)法(fa)，並(bing)通(tong)過(guo)防(fang)爆(bao)認(ren)證(zheng)，構(gou)成(cheng)防(fang)爆(bao)電(dian)氣(qi)設(she)備(bei)，用(yong)來(lai)防(fang)止(zhi)爆(bao)炸(zha)危(wei)險(xian)性(xing)環(huan)境(jing)形(xing)成(cheng)及(ji)其(qi)爆(bao)炸(zha)。主(zhu)要(yao)有(you)隔(ge)爆(bao)

、本安
、增安
、正壓

、充油
、充砂、無(wu)火(huo)花(hua)型(xing)等(deng)形(xing)式(shi)的(de)防(fang)爆(bao)電(dian)氣(qi)設(she)備(bei)。對(dui)於(yu)自(zi)控(kong)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)
，最(zui)常(chang)見(jian)的(de)是(shi)隔(ge)爆(bao)和(he)本(ben)安(an)兩(liang)種(zhong)防(fang)爆(bao)技(ji)術(shu)方(fang)法(fa)。本(ben)安(an)防(fang)爆(bao)技(ji)術(shu)又(you)具(ju)有(you)很(hen)多(duo)優(you)點(dian)，如(ru)本(ben)質(zhi)安(an)全(quan)，結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)，可(ke)帶(dai)電(dian)檢(jian)修(xiu)等(deng)
，在(zai)過(guo)程(cheng)儀(yi)表(biao)自(zi)控(kong)係(xi)統(tong)中(zhong)是(shi)第(di)一(yi)選(xuan)擇(ze)。

benzhianquanxingdianqishebeishicongxianzhidianluzhongdenengliangrushou
，tongguokekaodekongzhidianlucanshusheji，jiangqianzaidedianhuohuanengliangjiangdidaokedianranguidingdeqitihunhewunengliangyixia，daoxianjiyuanjian、殼體表麵的發熱溫度也限製在規定的氣體混合物的點燃溫度之下。本質安全防爆型式的設備內部，所有電路都是由在標準規定條件(包括正常工作和規定的故障條件)下，產生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境的本質安全電路。它又分為“ia”、“ib”兩個等級， “ia”等級電氣設備，是正常工作和施加一個故障和任意組合的兩個故障條件下，均不能引起點燃的本質安全型電氣設備；“ib”等級電氣設備，是正常工作和施加一個故障條件下
，不能引起點燃的本質安全型電氣設備(參見GB38364標準)。本安防爆形式因對能量有嚴格的限製，因此隻能應用於弱電設備中，設備其中Ex-ia設備適用於Ex.Zone 0
、1
、2區或Ex-ib設備適用於Ex.Zone 1、2區。本安防爆設備可以在帶電情況下進行檢修和校準，因此尤其適合過程自控係統應用。

本安防爆技術的優點和特點使得其在過程自動控製領域獲得了越來越廣泛的應用，本文將以自控係統的本安應用作為重點進行討論。

3.       西門子SIMATIC係統在安全防爆場所的幾種應用解決方案

由於近年西門子全集成自動化（TIA）理念在西門子係統中的推廣和應用，西門子SIMATIC係統尤其PCS 7xitongzhongzengtianlexuduokegongyonghuxuanzedefengfudeanquanfangbaoxitongjiejuefangan，dadajiaqiangleqizaianquanfangbaolingyudeyingyongnengli。erqieyouyubenzhianquanxingxianchangzongxianPROFIBUS-PA的推廣應用，日臻成熟，為解決傳統的安全防爆係統設計提供了更靈活、可靠的解決方案。本文主要介紹以西門子SIMATIC係統為核心構架完成一個安全防爆係統的幾種典型解決方案。

(1)從點對點接線到點對點接線(Point to Point)解決方案

即傳統DCS/PLC+安全柵方案，見圖1所(suo)示(shi)。這(zhe)類(lei)本(ben)安(an)防(fang)爆(bao)接(jie)口(kou)以(yi)隔(ge)離(li)式(shi)和(he)齊(qi)納(na)式(shi)安(an)全(quan)柵(zha)為(wei)代(dai)表(biao)。應(ying)用(yong)特(te)點(dian)是(shi)本(ben)安(an)防(fang)爆(bao)現(xian)場(chang)儀(yi)表(biao)以(yi)點(dian)對(dui)點(dian)的(de)接(jie)線(xian)方(fang)式(shi)通(tong)過(guo)電(dian)纜(lan)接(jie)至(zhi)安(an)全(quan)區(qu)控(kong)製(zhi)櫃(gui)內(nei)的(de)安(an)全(quan)柵(zha)，安(an)全(quan)柵(zha)再(zai)以(yi)點(dian)對(dui)點(dian)的(de)接(jie)線(xian)方(fang)式(shi)接(jie)至(zhi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)(DCS／PLC)的通用I/O卡。這是傳統的本安防爆接口技術。

(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ka板ban基ji礎chu上shang增zeng加jia本ben安an電dian路lu，使shi之zhi成cheng為wei本ben安an防fang爆bao卡ka板ban
，可ke直zhi接jie與yu現xian場chang兩liang線xian製zhi本ben安an儀yi表biao相xiang連lian接jie，省sheng卻que安an全quan柵zha環huan節jie，構gou成cheng本ben安an防fang爆bao控kong製zhi係xi統tong
，見jian圖tu2所示。其本質與DCS/PLC+安全柵方案相同，但是減少了安全柵環節，節省了線路連接點，因此能夠降低係統的故障點。而且這類本安模塊如SIMATIC  S7-300係列的本安防爆式Ex I/O卡板SM322，SM321，SM331，SM332等，其防爆等級為Ex-ibIIC，可以掛接Ex.Zone1區(qu)內(nei)的(de)本(ben)安(an)儀(yi)表(biao)。由(you)於(yu)本(ben)安(an)防(fang)爆(bao)卡(ka)板(ban)使(shi)用(yong)了(le)集(ji)成(cheng)安(an)全(quan)柵(zha)技(ji)術(shu)，減(jian)少(shao)了(le)隔(ge)離(li)式(shi)和(he)齊(qi)納(na)式(shi)安(an)全(quan)柵(zha)的(de)使(shi)用(yong)，因(yin)此(ci)結(jie)構(gou)緊(jin)湊(cou)，節(jie)約(yue)了(le)空(kong)間(jian)和(he)費(fei)用(yong)。

（3）從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案

即FISCO現場總線解決方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現場總線本質安全防爆構想模型簡稱FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA現場總線以本質安全方式安裝使用在Ex-區成為可能，以經濟簡便的方式解決了現場總線的防爆應用問題。FISCO適用於Ex-iaIIC級別的本安防爆方式。PROFIBUS-PA總線既能實現數字通訊（31.25kbps）
，又可實現對所掛接現場總線儀表的本安供電。西門子PROFIBUS-PA總線防爆係統一般由DP/PA耦合器/鏈接器
，本安配電鏈接模塊，T型總線接頭、PA總線電纜和本安現場總線儀表構成。Bus to Bus方式的應用特點是智能現場總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上，經過上述產品，仍以現場總線方式接至控製係統的現場總線網卡。整個係統的數據信號鏈路用一條雙絞電纜即可構成。

其特點是：直接用於危險區域中的現場總線不僅節省了大量的布線成本
，而且也節約了許多傳統方案中必須的I/O 信號的隔離柵、配電盤和分流器和大量信號電纜
，同時節約了大量控製箱櫃空間。此外
，還可以省去防爆現場元件的機械保護裝置如雙層絕緣、附加金屬保護網等，以及在使用非本質安全導線時所需要的防爆鋼管。

FISCO本質安全現場總線（如PROFIBUS-PA）是最新的本安防爆接口技術。

(4)從點對點接線到總線(Point to Bus) 解決方案

即本安防爆遠程分布式I/O方案，產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係列本質安全分布式I/O。見圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應用在Ex.Zone 1區，通過點對點電纜連接至Ex.Zone 0區的本安儀表。

與從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案相比，其應用特點是：現場儀表仍可以采用傳統4～20mA本安儀表
，以點對點的接線方式接至分布式I/O，而分布式I/O向上則以經本安鏈接器485/iS隔離後的PROFIBUS-DP/iS（1.5Mbps）總線方式接至控製係統通信總線或現場總線網卡。ET200iSP不僅具有安全柵功能，為現場回路提供本質安全防爆，而且ET200iSP本身還具有很高的防爆安全等級，其I/O模塊、電源模塊和網關本身也采用本安防爆（ATEX II 2 G EEx ib IIC T4）。 因而ET200iSP可以直接安裝在Ex.Zone 1區
，可對其所有電子模塊（包括電源模塊和總線連接模塊）進行帶電熱插拔維護
、操作。顯然，這種本安防爆解決方案中
，現場儀表仍可使用傳統的4—20mA儀表。本安防爆遠程分布式I/O方案是能兼顧FISCO現場總線方式和點對點方式兩類應用方案優點的一種中間方案，也是本文將詳細討論的方案。　

除ET200iSP外，值得一提的是SIMATIC還有防爆ET200M分布式I/O方案可供用戶選擇。ET200M如果選用相應的防爆結構和S7-300係列的防爆Ex I/O卡板後，其本身就構成無火花型防爆形式，可以直接安裝在危險區。但ET200M本身的防爆級別要比ET200iSP低，隻能安裝在增安型(Ex e)保護箱中，用於Ex.Zone 2區。ET200M的數據傳輸采用PROFIBUS-DP，最高速率可達12 Mbps

，相比ET200iSP的1.5Mbps通訊速率要高。

4.       西門子控製係統防爆器件介紹

（1）ET200iSP

SIMATIC ET-200iSP是用於Ex危險區的分布式I/O係統。使用符合歐洲電工標準委員會標準防爆等級Ex[ia/ib] IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外設，可以安裝於危險區域Ex.Zone 1中，連接來自Ex.Zone 0區的本安信號。ET-200iSP通過本質安全的PROFIBUS-DP/iS總線實現與控製係統的通訊
，傳輸速率1.5Mbps。

一個SIMATIC ET-200iSP 站點由一個密封電源
、一個用於連接PROFIBUS-DP 的接口模塊(可擴展32 塊電子模塊)，和一個總線終端電阻模塊組成。而且
，其電源和接口模塊均可進行冗餘配置。

ET-200iSP的防爆電源是一個隔爆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端子實現，在危險區不允許拆開此連接。而且送電電源必須安裝在安全區。

 每台ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模塊最多可連接64個模擬信號或128個數字信號。

ET-200iSP的模塊化結構為用戶提供了最大限度的靈活性，可以連接NAMUR 數字量輸入
、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構，而且在危險1區可對所有的電子模塊(包括供電及總線連接模塊)帶電進行更換

，即“熱插拔”。

 HART 協議模板可實現與HART儀表的無縫集成。

 采用彈簧壓緊或螺釘快速連接現場本安設備。

（2）      ET200M   

在SIMATIC ET 200 產品係列中
， ET 200M 是主要的分布式I/O係統
，與SIMATIC PCS7一起用於過程應用，支持在線修改( 使用有源總線模塊設計)，它可使用豐富的S7-300 I/O 模塊包括S7-300標準信號模塊，冗餘信號模塊
，防爆輸入/ 輸出模塊以及符合HART協議的防爆模擬量輸入和輸出模塊。每個ET200M接口模塊最多可以連接8 個I/O 模塊。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 現場總線上的從站
，最大數據傳輸速率為12 Mbit/s。

   ET200M模塊本身采用無火花型防爆，即ATEX II 3 G EEx n II A T4
，配合增安型防護箱，可安裝在Ex.Zone 2區，這已可滿足大部分現場機櫃安裝地點的防爆要求
，其連接的本安傳感器/執行器可以用於Ex.Zone 1區。

   ET 200M可選用有源總線模板進行配置。在非防爆環境中，允許帶電熱插拔操作，但在危險區使用時不能進行熱插拔維護。

（3）      本安防爆I/O卡板

表1：SIMATIC  S7-300係列的隔離式Ex I/O卡板

（4）      RS485/IS耦合器

由於ET200iSP直接安裝在Ex.Zone 1區，進行本安操作需要本安PROFIBUS-DP總線。RS485-IS耦合器是一個“現場總線隔離器”，非本安的PROFIBUS-DP總線通過RS485-IS耦合器後成為本安的PROFIBUS-DP/iS總線。RS485/IS耦合器對總線進行隔離並限製其能量，使之處於安全範圍之內，起到了總線中繼和防爆隔離的作用。在危險區內，本安的PROFIBUS-DP/iS可以帶電進行插接操作。

需要注意RS485-IS耦合器本身必須安裝在安全區內。

（5）      DP/PA耦合器/鏈接器   

DP/PA耦合器/鏈接器實現PROFIBUS-DP到本安現場總線PROFIBUS-PA的轉換和連接。PA本安現場總線還可以實現對本安現場總線儀表的饋電。

DP/PA耦合器（Coupler）的主要作用：

  實現物理層的轉換，並通過總線向現場儀表供電

實現安全柵隔離功能，使危險區與安全區電氣隔離。

DP/PA鏈接器（Link）的主要作用：

完成過程儀表與主控製器之間的數據通訊工作，它肩負著主設備和從設備的雙重身份。作為主設備，它控製著內部總線的正常工作
；作為從設備，它又擔負著與上一層總線的通訊任務。

   DP/PA 鏈接器是一種非常簡單的網關，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
，而不會影響PROFIBUS -DP的性能。

（6）      本安操作員麵板

ruguofangbaoxianchangxuyaogengduodexinxixianshihecaozuo，zaikongzhixitongzhongshejixuanzefangbaocaozuojiemianshifeichangbiyaode。anquanfangbaocaozuopingyouyugonglvjiaoda
，daduocaiyonggebaoxingshishixianfangbao。

5.       西門子本安防爆係統的綜合應用

前文所述4種本安防爆控製係統解決方案有各自的特點和應用場合

，在實踐中均有很多應用實例。而且SIMATIC係統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製係統。因為西門子的集成一體化思想在SIMATIC產品上的充分體現
，我們可以通過一條PROFIBUS-DP現場總線將幾種防爆解決方案統一在一個防爆控製係統中，如圖5所示，甚至將防爆應用和非防爆應用統一在一個控製係統中。這常見於西門子PCS7係統中多區域
、多場所

、多站點的應用。

因此用戶可以根據自己生產的特點
，充分的利用不同防爆解決方案的特點，靈活組合幾種防爆解決方案組成自己的本安防爆控製係統。
    6.       本安防爆分布式I/O方案應用實例

詳見文後附錄：西門子本安防爆分布式I/O ET200iSP在無菌製藥生產中的應用