Барьер искрозащиты

Барьер искрозащиты — устройство, применяемое в системах промышленной автоматики для ограничения энергии, которая может поступить в электрическую цепь, расположенную во взрывоопасной зоне. Его задача — не допустить передачи такого уровня напряжения, тока и мощности, который потенциально способен стать источником воспламенения взрывоопасной атмосферы.

В каталоге Power Technology Solutions (PTS) такие устройства представлены в разделе «Барьеры искробезопасности». Компания предлагает решения серий K и H, а также различные изолированные барьеры, преобразователи сигналов, источники питания передатчиков, драйверы соленоидов и компоненты для построения искробезопасных цепей. На целевой странице PTS указывает применение оборудования в нефтегазовой, химической и горнодобывающей промышленности.

PTS также сообщает, что является официальным дистрибьютором Pepperl+Fuchs в Казахстане, имеет локальный склад и осуществляет прямые поставки оборудования из Европы и США.

Что такое барьер искрозащиты

На странице PTS барьер искрозащиты определяется как электрическое устройство, ограничивающее передаваемую энергию до безопасного уровня. Цель такого ограничения — предотвратить возникновение искры или другого потенциального источника воспламенения во взрывоопасной среде.

Принцип искробезопасности заключается в том, что электрические параметры цепи ограничиваются таким образом, чтобы даже при определенных неисправностях энергии было недостаточно для воспламенения соответствующей взрывоопасной атмосферы.

Pepperl+Fuchs аналогично описывает свои изолированные барьеры как устройства, ограничивающие энергию, подаваемую в искробезопасную цепь, и тем самым защищающие оборудование, расположенное во взрывоопасной зоне.

Барьер искрозащиты и барьер искробезопасности — одно и то же?

На практике оба выражения встречаются в каталогах промышленного оборудования.

На сайте PTS сама категория называется «Барьеры искробезопасности», тогда как информационный текст внутри страницы использует формулировку «барьер искрозащиты».

Поэтому при поиске оборудования можно встретить несколько близких запросов:

• барьер искрозащиты;
• барьер искробезопасности;
• искробезопасный барьер;
• изолированный барьер;
• Ex i barrier;
• intrinsic safety barrier.

Однако при выборе конкретной модели следует ориентироваться не на коммерческое название, а на ее техническую документацию, маркировку взрывозащиты и параметры искробезопасной цепи.

Для чего нужен барьер искрозащиты

Представим промышленный датчик, установленный непосредственно во взрывоопасной зоне.

Он связан электрической цепью с контроллером, системой управления или другим оборудованием, находящимся в безопасной зоне.

Если в такую цепь из-за неисправности поступит чрезмерная энергия, теоретически может возникнуть источник воспламенения.

Барьер искрозащиты устанавливается между полевой частью и системой управления и ограничивает параметры электрической энергии.

Pepperl+Fuchs указывает, что изолированные барьеры располагаются между полевым устройством и системой управления и, помимо ограничения тока, напряжения и мощности, обеспечивают гальваническую развязку.

Принцип работы барьера искрозащиты

На целевой странице PTS выделены три основные функции устройства.

Во-первых, ограничиваются напряжение и ток до значений, соответствующих требованиям искробезопасной цепи.

Во-вторых, для соответствующих изолированных решений обеспечивается разделение между опасной и безопасной сторонами системы.

В-третьих, устройство помогает не допустить передачи опасного уровня энергии при неисправностях, например при перенапряжении или коротком замыкании.

При этом конструкция конкретных моделей может значительно различаться.

На целевой странице PTS в общем объяснении упоминаются резисторы, диоды и предохранители. Это нельзя автоматически воспринимать как точную электрическую схему каждого устройства в каталоге: среди продукции PTS представлено множество гальванически изолированных барьеров с дополнительными функциями преобразования и обработки сигнала.

Что такое искробезопасная цепь

Искробезопасная цепь строится таким образом, чтобы количество электрической и тепловой энергии в ней было ограничено до безопасного уровня для заданных условий применения.

Барьер является одним из элементов такой системы.

Поэтому ошибочно рассматривать его как самостоятельное устройство, которое можно поставить в любую электрическую линию и автоматически получить взрывозащиту.

При проектировании необходимо учитывать характеристики барьера, полевого оборудования, соединительного кабеля, способ монтажа, категорию и параметры взрывоопасной среды.

В инструкции Pepperl+Fuchs для K-System отдельно подчеркивается необходимость проверки искробезопасности системы и соблюдения требований IEC/EN 60079-14 и IEC/EN 60079-25.

Где устанавливается барьер искрозащиты

Изолированный барьер обычно является связующим элементом между полевым оборудованием во взрывоопасной зоне и системой управления.

Условно схема выглядит так:

датчик или исполнительное устройство → искробезопасная полевая цепь → барьер → контроллер/DCS/PLC.

В K-System Pepperl+Fuchs барьеры предназначены для установки на стандартную DIN-рейку 35 мм.

H-System построена иначе: изолированные барьеры устанавливаются на специальные терминальные платы, которые в свою очередь размещаются в шкафу управления.

Какие сигналы может обрабатывать барьер

Современный барьер искрозащиты может выполнять значительно больше функций, чем простое ограничение энергии.

В ассортименте PTS представлены модули для различных типов сигналов и полевых устройств:

Тип задачи	Пример оборудования из каталога PTS
Аналоговый сигнал	источник питания SMART-передатчика
Ток/напряжение	преобразователь KFD0-CC-Ex1
Температура	KFD2-UT2-Ex1-1, KFD2-UT2-Ex2-1
Термопара	KFD0-TT-Ex1
Потенциометр	KFD2-PT2-Ex1
Тензодатчик	KFD2-WAC2-Ex1.D
Дискретный выход	драйвер соленоида
HART	специализированные коммуникационные компоненты

Каталог K-Series PTS содержит как одноканальные, так и многоканальные решения, а отдельные устройства поддерживают диагностику линии и функциональную безопасность SIL.

Аналоговые входы 4–20 мА

Сигнал 4–20 мА широко применяется в промышленной автоматике для передачи измерительных данных.

В каталоге PTS примером является KFD2-STC5-Ex2. Для него указаны аналоговый вход 4–20 мА, питание 18–30 В DC, выход 4–20 мА, возможность работы с нагрузкой до 600 Ом и уровень функциональной безопасности SIL 2.

Такое устройство выполняет не только функцию искробезопасного интерфейса, но и обеспечивает передачу измерительного сигнала между полевой и управляющей стороной.

Барьер для температурных датчиков

Если система работает с термопарой, RTD или другим температурным датчиком, выбирается соответствующий интерфейсный модуль.

Например, в K-Series PTS представлен KFD2-UT2-Ex1-1 — одноканальный изолированный барьер, поддерживающий термопару, RTD, потенциометр либо вход напряжения. Для него предусмотрено обнаружение неисправности линии и перегорания датчика; PTS указывает соответствие до SIL 2 по IEC/EN 61508 и IEC/EN 61511.

Есть также двухканальная версия KFD2-UT2-Ex2-1.

Барьер для термопары

В каталоге есть специализированный преобразователь KFD0-TT-Ex1.

PTS указывает для него одноканальную конструкцию, вход термопары, выход 4–20 мА, внутреннюю компенсацию холодного спая и функцию обнаружения обрыва датчика.

Таким образом, при выборе барьера важно учитывать не только требования взрывозащиты, но и конкретный тип источника сигнала.

Барьер для потенциометра

Для работы с потенциометрическими датчиками в K-Series представлены несколько вариантов KFD2-PT2.

Например, KFD2-PT2-Ex1-4 имеет один канал, питание 24 В DC, вход потенциометра и токовый выход 0–20 мА. На странице также указана точность 0,05% и соответствие до SIL 2 по IEC/EN 61508.

Другие варианты этой линейки имеют выход 0–5 В, 0–10 В или иной токовый диапазон.

Поэтому внешне похожие устройства нельзя выбирать как взаимозаменяемые только по серии.

Барьер для тензодатчика

PTS предлагает преобразователи для тензометрических измерений.

Например, KFD2-WAC2-Ex1.D имеет один канал, вход полного или полумостового тензодатчика, аналоговый выход и два релейных контактных выхода. Также предусмотрены программируемые уровни сигнализации, интерфейс RS-485 и обнаружение неисправности линии.

Такие устройства показывают, что современный барьер искрозащиты может одновременно выполнять функции безопасного интерфейса, преобразователя и элемента диагностики.

Барьер для соленоидного клапана

Для управления исполнительными механизмами используются устройства другого типа.

В PTS представлен драйвер соленоида KFD2-SLD-Ex1.13100. Компания указывает:

• один изолированный канал;
• питание 24 В DC;
• логический вход;
• выход 100 мА при 13 В DC;
• поддержку соленоидов с двумя катушками;
• функцию прозрачности неисправности линии;
• соответствие до SIL 3 по IEC/EN 61508.

Это пример того, почему нельзя выбирать барьер исключительно по напряжению питания — необходимо учитывать направление сигнала и тип подключаемого оборудования.

Аналоговый или дискретный барьер

Один из первых параметров выбора — характер сигнала.

Аналоговый канал может передавать 4–20 мА, 0–10 В или сигнал температурного датчика.

Дискретный канал работает с состояниями включено/выключено, контактами, клапанами или другими бинарными сигналами.

В каталоге PTS присутствуют устройства для AI, AO, DI, DO, TI и универсальных входов/выходов. Это особенно хорошо видно в H-System, где терминальные платы поддерживают различные типы сигналов.

Что такое гальваническая развязка

У многих современных изолированных барьеров между полевой цепью и системой управления предусмотрена электрическая изоляция.

Pepperl+Fuchs указывает, что такая развязка дополнительно защищает измерительные и управляющие цепи от искажений сигнала и опасных перенапряжений.

Это отличает изолированные барьеры от простейших вариантов ограничительных схем.

В документации K-System функция устройства описана как сочетание ограничения тока, напряжения и мощности с гальваническим разделением полевой цепи и контроллера.

Барьер Зенера и изолированный барьер

В промышленной практике существуют разные способы организации искробезопасного интерфейса.

Простейшие ограничительные барьеры могут строиться на стабилитронах, резисторах и предохранителях. Именно такую структуру в общем виде описывает целевая страница PTS.

Изолированные барьеры имеют более сложную архитектуру и обеспечивают гальваническую развязку.

Каталог PTS содержит большое количество именно изолированных барьеров K-System и H-System.

Поэтому при проектировании важно не считать эти две концепции полностью идентичными.

Серия K

На сайте PTS барьеры Pepperl+Fuchs серии K выделены в отдельный большой раздел.

Pepperl+Fuchs описывает K-System как универсальную линейку интерфейсных модулей для различных сигналов и применений. Система рассчитана на монтаж на 35-миллиметровую DIN-рейку и может использовать Power Rail для распределения питания и общего сигнала неисправности.

Ассортимент включает как относительно простые изоляторы, так и функциональные модули обработки сигналов.

Для чего предназначена K-System

K-System удобна там, где требуется модульная структура.

Инженер может подобрать отдельный барьер искрозащиты под каждый тип сигнала, установить устройства на DIN-рейку и при необходимости расширять систему.

В официальном руководстве Pepperl+Fuchs говорится о более чем 150 различных устройствах в линейке K-System.

PTS, в свою очередь, публикует большой каталог K-Series, распределенный на несколько страниц.