遵义西门子以太网6XV1840-2AH10

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西门子SIMATIC系统在安全防爆场所的几种应用解决方案

由于近年西门子全集成自动化（TIA）理念在西门子系统中的推广和应用，西门子SIMATIC系统尤其PCS 7系统中增添了许多可供用户选择的丰富的安全防爆系统解决方案，大大加强了其在安全防爆领域的应用能力。而且由于本质安全型现场总线PROFIBUS-PA的推广应用，日臻成熟，为解决传统的安全防爆系统设计提供了更灵活、可靠的解决方案。本文主要介绍以西门子SIMATIC系统为核心构架完成一个安全防爆系统的几种典型解决方案。

（1）从点对点接线到点对点接线（Point to Point）解决方案

即传统DCS/PLC+安全栅方案，见图1所示。这类本安防爆接口以隔离式和齐纳式安全栅为代表。应用特点是本安防爆现场仪表以点对点的接线方式通过电缆接至安全区控制柜内的安全栅，安全栅再以点对点的接线方式接至控制系统（DCS／PLC）的通用I/O卡。这是传统的本安防爆接口技术。

（2）本安防爆I/O卡板解决方案

本安防爆I/O卡板解决方案是在DCS／PLC的通用I/O卡板基础上增加本安电路，使之成为本安防爆卡板，可直接与现场两线制本安仪表相连接，省却安全栅环节，构成本安防爆控制系统，见图2所示。其本质与DCS/PLC+安全栅方案相同，但是减少了安全栅环节，节省了线路连接点，因此能够降低系统的故障点。而且这类本安模块如SIMATIC S7-300系列的本安防爆式Ex I/O卡板SM322，SM321，SM331，SM332等，其防爆等级为Ex-ibIIC，可以挂接Ex.Zone1区内的本安仪表。由于本安防爆卡板使用了集成安全栅技术，减少了隔离式和齐纳式安全栅的使用，因此结构紧凑，节约了空间和费用。

（3）从总线到总线（Bus to Bus） 解决方案

即FISCO现场总线解决方案。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem现场总线本质安全防爆构想模型简称FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA现场总线以本质安全方式安装使用在Ex-区成为可能，以经济简便的方式解决了现场总线的防爆应用问题。FISCO适用于Ex-iaIIC级别的本安防爆方式。PROFIBUS-PA总线既能实现数字通讯（31.25kbps），又可实现对所挂接现场总线仪表的本安供电。西门子PROFIBUS-PA总线防爆系统一般由DP/PA耦合器/链接器，本安配电链接模块，T型总线接头、PA总线电缆和本安现场总线仪表构成。Bus to Bus方式的应用特点是智能现场总线仪表以总线方式挂接在PROFIBUS-PA上，经过上述产品，仍以现场总线方式接至控制系统的现场总线网卡。整个系统的数据信号链路用一条双绞电缆即可构成。

其特点是：直接用于危险区域中的现场总线不仅节省了大量的布线成本，而且也节约了许多传统方案中必须的I/O 信号的隔离栅、配电盘和分流器和大量信号电缆，同时节约了大量控制箱柜空间。此外，还可以省去防爆现场元件的机械保护装置如双层绝缘、附加金属保护网等，以及在使用非本质安全导线时所需要的防爆钢管。

FISCO本质安全现场总线（如PROFIBUS-PA）是较新的本安防爆接口技术。

（4）从点对点接线到总线（Point to Bus） 解决方案

即本安防爆远程分布式I/O方案，产品包括总线式隔离安全栅和本安型的分布式I/O模块。其中较具代表性的是西门子ET200iSP系列本质安全分布式I/O。见图2所示：ET200iSP本身可以安装应用在Ex.Zone 1区，通过点对点电缆连接至Ex.Zone 0区的本安仪表。

与从总线到总线（Bus to Bus） 解决方案相比，其应用特点是：现场仪表仍可以采用传统4～20mA本安仪表，以点对点的接线方式接至分布式I/O，而分布式I/O向上则以经本安链接器485/iS隔离后的PROFIBUS-DP/iS（1.5Mbps）总线方式接至控制系统通信总线或现场总线网卡。ET200iSP不仅具有安全栅功能，为现场回路提供本质安全防爆，而且ET200iSP本身还具有很高的防爆安全等级，其I/O模块、电源模块和网关本身也采用本安防爆（ATEX II 2 G EEx ib IIC T4）。 因而ET200iSP可以直接安装在Ex.Zone 1区，可对其所有电子模块（包括电源模块和总线连接模块）进行带电热插拔维护、操作。显然，这种本安防爆解决方案中，现场仪表仍可使用传统的4—20mA仪表。本安防爆远程分布式I/O方案是能兼顾FISCO现场总线方式和点对点方式两类应用方案优点的一种中间方案，也是本文将详细讨论的方案。

除ET200iSP外，值得一提的是SIMATIC还有防爆ET200M分布式I/O方案可供用户选择。ET200M如果选用相应的防爆结构和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后，其本身就构成无火花型防爆形式，可以直接安装在危险区。但ET200M本身的防爆级别要比ET200iSP低，只能安装在增安型（Ex e）保护箱中，用于Ex.Zone 2区。ET200M的采用PROFIBUS-DP，较高速率可达12 Mbps，相比ET200iSP的1.5Mbps通讯速率要高。

4. 西门子控制系统防爆器件介绍

（1）ET200iSP

SIMATIC ET-200iSP是用于Ex危险区的分布式I/O系统。使用符合欧洲电工标准**标准防爆等级Ex［ia/ib］ IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外设，可以安装于危险区域Ex.Zone 1中，连接来自Ex.Zone 0区的本安信号。ET-200iSP通过本质安全的PROFIBUS-DP/iS总线实现与控制系统的通讯，传输速率1.5Mbps。

一个SIMATIC ET-200iSP 站点由一个密封电源、一个用于连接PROFIBUS-DP 的接口模块（可扩展32 块电子模块），和一个总线终端电阻模块组成。而且，其电源和接口模块均可进行冗余配置。

ET-200iSP的防爆电源是一个隔爆Ex-d的供电模块，由安全总线底板向各电子模块供电。电源模块本身的供电通过Ex-e端子实现，在危险区不允许拆开此连接。而且送电电源必须安装在安全区。

每台ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模块较多可连接64个模拟信号或128个数字信号。

ET-200iSP的模块化结构为用户提供了较大限度的灵活性，可以连接NAMUR 数字量输入、电磁阀、模拟量输入/ 输出、HART 输入/ 输出、热电耦以及热电阻等。所有电子模块均具有本安结构，而且在危险1区可对所有的电子模块（包括供电及总线连接模块）带电进行更换，即“热插拔”。

HART 协议模板可实现与HART仪表的无缝集成。

采用弹簧压紧或螺钉快速连接现场本安设备。

（2） ET200M

在SIMATIC ET 200 产品系列中， ET 200M 是主要的分布式I/O系统，与SIMATIC PCS7一起用于过程应用，支持在线修改（ 使用有源总线模块设计），它可使用丰富的S7-300 I/O 模块包括S7-300标准信号模块，冗余信号模块，防爆输入/ 输出模块以及符合HART协议的防爆模拟量输入和输出模块。每个ET200M接口模块较多可以连接8 个I/O 模块。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 现场总线上的从站，较大速率为12 Mbit/s。

ET200M模块本身采用无火花型防爆，即ATEX II 3 G EEx n II A T4，配合增安型防护箱，可安装在Ex.Zone 2区，这已可满足大部分现场机柜安装地点的防爆要求，其连接的本安传感器/执行器可以用于Ex.Zone 1区。

ET 200M可选用有源总线模板进行配置。在非防爆环境中，允许带电热插拔操作，但在危险区使用时不能进行热插拔维护。

（3） 本安防爆I/O卡板

（4） RS485/IS耦合器

由于ET200iSP直接安装在Ex.Zone 1区，进行本安操作需要本安PROFIBUS-DP总线。RS485-IS耦合器是一个“现场总线隔离器”，非本安的PROFIBUS-DP总线通过RS485-IS耦合器后成为本安的PROFIBUS-DP/iS总线。RS485/IS耦合器对总线进行隔离并限制其能量，使之处于安全范围之内，起到了总线中继和防爆隔离的作用。在危险区内，本安的PROFIBUS-DP/iS可以带电进行插接操作。

需要注意RS485-IS耦合器本身必须安装在安全区内。

（5） DP/PA耦合器/链接器

DP/PA耦合器/链接器实现PROFIBUS-DP到本安现场总线PROFIBUS-PA的转换和连接。PA本安现场总线还可以实现对本安现场总线仪表的馈电。

DP/PA耦合器（Coupler）的主要作用：

实现物理层的转换，并通过总线向现场仪表供电

实现安全栅隔离功能，使危险区与安全区电气隔离。

DP/PA链接器（bbbb）的主要作用：

完成过程仪表与主控制器之间的数据通讯工作，它肩负着主设备和从设备的双重身份。作为主设备，它控制着内部总线的正常工作；作为从设备，它又担负着与上一层总线的通讯任务。

DP/PA 链接器是一种非常简单的网关，它可互连PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA，但去耦传输速率。这就意味着PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA可以组合使用，而不会影响PROFIBUS -DP的性能。

（6） 本安操作员面板

如果防爆现场需要更多的信息显示和操作，在控制系统中设计选择防爆操作界面是非常必要的。安全防爆操作屏由于功率较大，大多采用隔爆形式实现防爆。

5. 西门子本安防爆系统的综合应用

前文所述4种本安防爆控制系统解决方案有各自的特点和应用场合，在实践中均有很多应用实例。而且SIMATIC系统还提供了很大的灵活性，用户可以很方便的利用一种解决方案组成自己的本安防爆控制系统。因为西门子的集成一体化思想在SIMATIC产品上的充分体现，我们可以通过一条PROFIBUS-DP现场总线将几种防爆解决方案统一在一个防爆控制系统中，如图5所示，甚至将防爆应用和非防爆应用统一在一个控制系统中。这常见于西门子PCS7系统中多区域、多场所、多站点的应用。

因此用户可以根据自己生产的特点，充分的利用不同防爆解决方案的特点，灵活组合几种防爆解决方案组成自己的本安防爆控制系统。图5是西门子SIMATIC本安防爆系统的综合应用。