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关于安全栅选型、应用的n个问题解答
liubingrui 发表于 2008/11/26 13:52:59 1476 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1.安全栅是用在现场仪表与中控室的DCS之间的，因为中控室一般在非防爆区，而现场仪表一般又是防爆的，所以为了防止将非防爆区的危险信号（大功率干扰）引入防爆区，所以才用安全栅。
一般情况如果仪表是本安型的就需要用安全珊，仪表要是隔爆型的，就不需要用安全珊。
安全栅是保证过程控制系统具有安全火花防爆性能的关键仪表，它必须安装在控制室内，作为控制室仪表及装置与现场仪表的关联设备，它一方面起信号传输的作用；另一方面它还用于限制流入危险场所的能量。
目前使用的安全栅主要油电阻式，齐纳式，中继放大式和隔离式四种，应用比较普遍的有齐纳式和隔离式安全栅。
齐纳式安全栅
齐纳式安全栅是基于齐纳二极管的反向击穿（导通）性能二工作的，原理线路如图所示，
途中的R,VDW1,VDW2和Ar在不同的电压保护下齐保护作用。
（1）当电压正常时，电压额定值为24V最大为28V，齐纳二极管VDW1,VDW2截止，回路电流由变送器决定，在4～20mA范围内，此时若现场发生短路事故，由于R的存在，把短路电流限制在安全额定电流以下，确保安全。
（2）当栅端电压V1高于安全额定电压V0而低于放电管的放电电压Var,既V0≤V1≤Var时，齐纳二极管被击穿（导通），使流过F1的电流增加，当这电流增加到大于125mA时，快速熔断丝F1首先被熔断（时间为μs）,立即把可能造成事故的高压与现场隔离断。在F1熔断之前VDW1,VDW2的稳压作用仍可保证危险场所的安全。
（3）当V1≥Var时，放电管立即放电，将端电压降到极低的数值（10～20V以下），此时，流过F2的电流迅速增加，当增加到1A时，F2被熔断，切断危险高压，保障生产安全。
在一般情况下，由于R的限流和齐纳管的稳压作用，危险侧的电流，电压波动就被限制住了，并不需要F1,F2经常熔断。
齐纳式安全栅体积小，重量轻，精度高，通用性大，价格也比隔离式安全栅便宜而且防爆定额可以做的很高，但是安全栅的关键元件——快速熔断丝，它的制造十分困难，工艺和材料的要求都很高，快速熔断丝的熔断速度应比齐纳管可能被烧断的速度快10倍。
齐纳式安全栅需要有单独的本安接地系统
隔离式安全栅
采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全相比，虽然价格略高，但它其它方面的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：
1.由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。
2.对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。
3.由于信号线路无需共地，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。
4.隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。
5.隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。
因此，对比齐纳式和隔离式安全栅的特点和性能后可以看出，隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛用途，虽然其价格略高于齐纳式安全栅，但从设计、施工安装、调试及维护成本来考虑，其综合成本可能反而低于齐纳式安全栅。在要求较高的工程现场几乎无一例外地采用了隔离式安全栅作为主要本安防爆仪表，隔离式安全栅已逐渐取代了齐纳式安全栅，在安全防爆领域得到了日益广泛的应用.
隔离式安全删的价格高于齐纳安全删
向您快速提供超低价MTL安全栅
MTL是一家英国知名公司，成立于25年前，它的本质安全栅和隔离栅成为工业标准已有多年。MTL的声望，不仅在于这些产品的出色技术，而且在于他的服务，解决用户的应用问题—我们响应不会在提供设备后终结。MTL公司主要生产齐纳栅、隔离栅、多路转换器、显示器和过程I/O，并同DCS公司和系统集成商有紧密的合作，为石油、石化等工厂提供防爆产品。MTL公司同时也生产防雷击
抗浪涌保护器。
MTL700系列实际是一种“工业规格”，产品注意了固定安装和接地排列。其运用范围包括超电压保护和子系统电源超高保护。单通道和双通道供用户任意选择
MTL4700系列使用插槽式地板，通过MTL4000系列隔离器安装。多通道设计（最多可达6通道）提供了高密度的包装，适合OEM和过程系统的密集型安装。
MTL7000系列是小体积安全栅，它能替代绝大多数传统接线端子的功能。最显著的特点在于虽然产品厚度仅7mm，却多达3路通道，可直接通过DIN-rail连接和接地，也可选择替换保险丝或可移动式连接两个分开的设备。
MTL7700系列安全栅创造了“新的工业规格”。在原来MTL700系列的基础上，加上独特的设计使之运用范围更加广泛。无需通过任何证明即可替换MTL700系列的产品。
1：有源隔离器与无源隔离器的比较
有源隔离器电路包括电源部分、输入部分、输出部分。信号经过输入电路处理，变成一定的数字量或电磁波，再经过隔离元件实现电气的隔离，隔离后的数字量或电磁波经过输出电路变换成模拟量。
有源隔离器的工作电源来自独立的供电，电路电路将输入的电源变换成多组电源，向输入和输出电路提供工作能量。
有源隔离器可以隔离各种输入信号，可以是电压、电流、频率，信号的大小也可以自由选择，只要输入电路能处理的信号，都可以输入并隔离。有源隔离器的输出电路可以产生多种信号，比如-1~10V、0~10mA，与输入信号成比例关系，不一定是1：1对应，换句话说，它具有信号转换的功能。
电流输入的有源隔离器输入阻抗只有50欧，大多数电流源都可以轻松驱动。
电流输出的有源隔离器负载能力比较大，且负载变化时不影响隔离精度。
无源隔离器电路包括输入部分、输出部分。信号经过输入电路处理，变成电磁波，再经过隔离元件实现电气的隔离，隔离后的电磁波经过输出电路变换成模拟量。
无源隔离器的电路工作能量来自输入信号端，所以输入信号需要有足够的驱动能力以驱动它工作，而且会有一定电压降低（4V）。
无源隔离器能隔离0~22mA的直流电流信号。且输入和输出1：1对应。
无源隔离器的理想负载是300欧姆以下，可以达到500欧姆。
无源隔离器的功耗很低，不到100毫瓦，是环保节能的产品。
2：齐纳安全栓的工作原理
齐纳安全栓的基本电路由快速熔断器F、限压电路（齐纳二级管或电子组件）和限流电路（电阻器或电子组件）三部份组成。
正常工作时限压电路的伐值电压高于工作电压，故限压电路不起作用，其漏电流很小不影响检测和控制仪表的功能；同时由于限流电路处于低阻对信号传送影响很小，因此系统的工作在安全栓串入且阻抗匹配的情况下不会受到影响。
故障状态时例如本安端出现短路工作电流超过额定值，限流电路表现为高阻使最大短路电流仍远低于最小点燃电流值；本安端故障被排除后，限流电路又能自动恢复其正常低阻状态。当非本安出现异常电压混触时，限压电路将快速熔断器协同作用，首先由限压电路起过压保护作用，机之是快速熔断器动作迅速切断通向危险场所的电路，而且限压和限流组件均采用双重化结构可确保一次仪表的本质安全。
3：使用安全栅的时候我该注意些什么？
本安系统除了要选择合适的安全栅外，使用的时候要注意以下几个方面：
第一，要注意线缆和现场设备的容抗和感抗，本安防爆是系统防爆，除了安全栅需要达到所需的
防爆等级外，线缆和现场设备的蓄能也是一个关键问题。特别是在参量认证替代系统认证
后，工程商尤其要注意这个问题。
第二，要注意本安接地，齐纳安全栅需要本安接地，接地电阻应小于1。
第三，本安线缆与非本安线缆应分开敷设在不同的线槽里。并应有明显标识。
第四，更换时应注意断电。
4：现场总线为什么在石化行业中很难被采用？
现场总线以其构成简单，容易扩容，节省成本等优点深受工程师们的喜爱。但在石化行业中却不容易被推广开，究其原因，主要有以下几方面：第一，石化行业有70%-80%的危险区，防爆问题是石化自动化首要考虑的问题。安全栅是控制现场能量的有效部件,但也有此制约了总线设备的容量。使现场总线的主要优点得不到体现。第二，由于现场的特殊性，现
场设备不能带电维护也
制约了现场总线的发展
。第三，具有防爆功能的智能仪表还未普及也是现场总线在石化行业中得不到很好发展的原
因之一。第四,国内DCS系统日趋成熟也使处于发展阶段的现场总线在石化行业中处于劣势，石化自动化系统如果全线崩溃，将带给企业巨大的损失，这更决定了石化行业采用故障不会波及其它设备，而且比较成熟的DCS系统了。当然现场系统的优点已为人们接受在石化行业的应用也将是早晚的事情，这要靠FCS厂家和其他相关行业企业的努力。
5：如何确定安全栅的参数？
安全栅选型在安全栅的使用中比较关键,选择正确的安全栅是保证系统防爆的基础。安全栅选型要保证以下两点：第一，要保证系统的工作正常，需要根据系统的参数，确定安全栅的参数，齐纳安全栅主要看工作电压，最高工作电压，端电阻等参数，隔离安全栅主要看可以达到的精度。当然，无论齐纳安全栅还是隔离安全栅，要考虑的还后工作环境，如使用温度，湿度，还有安装方式是否便于现场安装等等。第二，要根据需要防爆的区域，是0区，1区还是2区，来确定需要达到的防爆等级，最后可以确定是用ia级的还是ib级的安全栅。
在许多工业过程中，需要处理或使用一些易燃材料，如原油和它的衍生物，酒精，天然气，粉末，飞扬物，任何渗漏或溅出都有可能形成一个爆炸环境（危险场所，具体分类方法见下文）。为了工厂和人员的安全，必须确保这个环境不会被点燃引起爆炸。
而在生产过程中大量使用电气设备，各种磨擦的电火花、静电火花、高温等不可避免，尤其当设备发生故障时，都有可能会点燃爆炸环境。为了防止爆炸的发生，至今已开发了8中不同的防爆技术，其中本质安全是一种低成本而高有效的防爆技术。
本质安全（IS）是系统防爆的技术，如下图，安全场所的控制室设备通过安全栅与危险场所的本安设备相连，传递信号或能量。安全栅利用限流和限压电路，限制了从安全场所传递到危险场所的能量；处于危险场所的本安设备在这样的能量下能够正常工作，但这样的能量不足以引燃爆炸环境，即使本安设备自身发生故障，也不会产生任何足以引燃的电火花或发热表面。因此，无论是安全场所的控制室设备还是危险场所的本安设备发生故障，只要安全栅的限流限压电路正常工作，整个系统都会处于安全状态，不会产生爆炸。
安全栅作为控制室的非本安设备与危险场所的本安设备之间的关联设备，是本安防爆系统中的重要组成部分。常见的安全栅包括齐纳式安全栅、晶体管式安全栅、变压器隔离式安全栅。
齐纳式安全栅电路原理如下图所示，稳压二极管Z限制了从非本安端传到本安端的电压，电阻R则限制了从非本安端传到本安端的电流，快速熔断器F用于保护稳压二极管Z不被过大的电流烧坏。由于电路的限压和限流，输出到危险区的能量被限制在安全值以内。齐纳式安全栅的特点是电路所用的元器件极少、故障率低、成本低、回路信号保真性好；但由于必须加限能电阻和智能变送器的采样电阻，过大的电压降低往往会导致回路供电不足；而且在工程应用中必须可靠接地，否则便会失去防爆安全保护功能。
齐纳式安全栅是本安防爆系统中的一种非常重要的关联设备。当出现故障时，齐纳安全栅会确保现场安全。齐纳式安全栅起保护作用后它内部的熔丝就要烧断，由于防爆上的特殊要求：齐纳式安全栅要用环氧树脂灌封，因而烧断熔丝的齐纳安全栅也就损坏了，必须更换新的齐纳式安全栅。MSB500系列齐纳安全栅是一种新颖的熔丝可更换式齐纳安全栅，系我公司新开发的齐纳式安全栅。产品系列齐全，适用于各种变送器、电气阀门定位器、各类开关、电磁阀、流量仪表、热电阻、热电偶及一些特殊的现场仪表。同时可与各种 DCS 系统连接对智能变送器实现双向数字通讯。MSB500系列齐纳式安全栅是在常规的齐纳安全栅基础上改进而成的，由一个完整的齐纳安全栅和可更换的熔丝组成。在出现故障时可以很方便的更换熔断器，避免了烦琐的拆装工作。
晶体管式安全栅以晶体管组成限压限流电路，如下图，正常情况下Z1和Q1截止、Q2导通，非本安端与本安端进行信号传送。当非本安端电压过高时，Z1反向击穿，Q1导通，使Q2截止，切断了非本安端与本安端的通路，使本安端输出电压为零，实现过压保护作用；当回路电流过大时，R4上压降增大，使Q1导通，Q2进入线性放大状态，限制回路电流，实现过流保护作用。与齐纳式安全栅比较，晶体管式安全栅相对复杂，但由于它不需要熔断器，系统正常时它能自动恢复到正常工作状态并可以重复使用，所以通常又称之为重复式安全栅。
重复式安全栅本身不需要接地，也没有隔离功能。在防爆系统中使用时必须和隔离单元配合使用。由于电路相对复杂，难以做到3重防爆，所以只适合防爆要求不高的1区和2区。
隔离式安全栅以上述两种安全栅作为本安电路，实现能量限制功能；并用变压器或光电器件隔离本安电路与非本安电路，进行能量交换和信号传输，其原理框图如下。隔离式安全栅线路复杂，但通用性强、可靠性高。隔离式安全栅信号处理功能更强，能够接受并处理热电偶、热电阻等信号，也很容易实现信号分配（一入二出），使之适用面更广；由于电源、输入、输出相互隔离，在组成系统时不需要接地，给设计与工程施工带来很大方便，降低了系统的综合成本；因为没有公共接地，信号完全浮空，检测和控制回路的信号稳定性和抗干扰能力大大加强，从而提高了整个系统的可靠性（对于DCS自动控制系统来说，这一点特别重要）。
安全栅属于国家强制检验范围，它的电路设计和结构设计必须通过国家防爆检验机关检验，检验合格并获得证书才能投入使用。在进行防爆系统设计时，必须根据危险场所的危险性、危险场所的气体环境，选用相应防爆等级的安全栅。
危险场所危险性的划分
爆炸性危险气体危险性分类
根据气体和空气的混合物最容易被点燃所需要的能量划分。设备根据它所适用的气体环境分组。
安全栅的防爆等级
本质安全型电器设备及其关联设备，按本安电路使用的场所和安全程度分为ia和ib两个等级。
ia：在正常工作、1个故障和2个故障时均不能点燃爆炸性气体混合物，适用于0区、1区、2区；
ib：在正常工作和1个故障时不能点燃爆炸性气体混合物，适用于1区、2区。
安全栅的防爆标志