DART Fieldbus: искробезопасность без ограничений мощности

Новый подход к обеспечению искробезопасности

Компания Pepperl+Fuchs представляет новую технологию взрывозащиты DART (динамическое обнаружение и прерывание электрической дуги – Dynamic Arc Recognition and Termi­na­tion) [1, 2] для применения в попу­лярной инфраструктуре Field­Connex Fieldbus [3]. Технология DART базируется на динамических свойствах процессов, благодаря чему допускает заметно более высокие уровни мощности наряду с сохранением искробезопасных уровней энергии. Новое решение Field­Connex DART Fieldbus (полевая шина с оборудованием DART на основе концепции FieldConnex) обеспечивает достаточную мощность для такого количества устройств, которое обычно запитывается во взрывобезопасных зонах [4], но при этом подключение кабельных отводов разработано таким образом, чтобы соответствовать требованиям современных взрывозащищённых полевых приборов. Компоненты Field­Connex DART Fieldbus (далее – DART Fieldbus) сертифицированы в соответствии с требованиями международного стандарта IEC 60079-11 «Электро­оборудование для взрывоопасных газовых сред. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь i», что делает возможным их признание и применение практически в любой стране.

Что же делает DART настолько уникальной технологией, предоставляющей пользователям систем автоматизации технологических процессов возможность ощутить полное преимущество над технологией искробезопасной промышленной сети во взрывоопасных зонах по части обеспечения работо­способности системы и снижения общей стоимости владения?

Более ранние решения по обеспечению искробезопасности используют концепции Entity (традиционный способ оценки искробезопасности) и FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept – концепция искробезопасной системы полевой шины) [5, 6]. Они предоставляют пользователям возможность подсоединять разнообразные устройства к единственному источнику питания в сегменте полевой шины, но при этом число устройств в одном сегменте и длина кабеля ограничиваются относительно низким допустимым значением мощности, вынуждая пользователей разрабатывать сложные топологии шин со многими кабельными отводами, что приводит к увеличению стоимости решения. Концепция магистрали повышенной мощности High-Power Trunk (HPTC) позволяет использовать во взрывоопасной окружающей среде более высокую мощность, подаваемую в сегмент промышленной сети, при условии сохранения искробезопасности. Полевая шина, использующая технологию DART – DART Fieldbus, явля­ет собой следующий революционный шаг в развитии вида взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь». DART Fieldbus в высшей степени привлекательна, потому что в ней на основе совершенно нового подхода устраняется проблема ограничения мощности в искробезопасной цепи. Эта шина допускает значительно более высокие значения передаваемой энергии, так как технология DART предполагает выключение токовых цепей в течение микросекунд, прежде чем температура искрового разряда станет достаточной для воспламенения, и последующее возвращение к нормальному режиму работы (см. врезку).

DART Fieldbus допускает максимальную длину магистрального кабеля 1000 метров. Длина каждого кабельного отвода может быть 120 м при общей суммарной длине 1900 м. Согласно техническим характеристикам, в каждом сегменте полевая шина DART Fieldbus поддерживает до 32 устройств, что позволяет избавиться от необходимости разработки сложных сетевых топологий со многими дополнительными сегментами и подсегментами, каждый из которых требует своего собственного источника питания, распределительных коробок, барьеров и т.д. В конечном счёте большее число устройств в одном сегменте создаёт условия для снижения капитальных затрат благодаря упрощению общей инфраструктуры полевой сети и соответствующему сокращению требуемого сетевого оборудования. И всё это возможно даже для таких чувствительных с точки зрения взрывоопасности смесей, как смеси категории IIC!

DART Fieldbus призвана обеспечить коммутацию современных интеллектуальных полевых приборов и создание распределённых систем управления и может быть применена в различных местах технологической цепочки.

Каким образом DART защищает промышленную сеть

При условии применения технологии обеспечения взрывозащиты DART электрические разряды не имеют никаких шансов на инициацию аварийной ситуации вне зависимости от того, в каком месте промышленной сети это может случиться. В нормальном режиме работы источник питания DART обеспечивает оборудование электропитанием без ограничения. Датчики DART, расположенные как в источнике питания DART, так и в модуле защиты сегмента DART, обнаруживают аварийный режим в электрической системе в самом начале и блокируют его до того, как выделяемая энергия достигнет критического уровня, определяющего безопасность. Всего лишь после нескольких миллисекунд источник питания DART снова включается – работа промышленной сети гарантирована.

Многие операции подключения и отключения вызывают аварийный ре­жим и срабатывание «механизмов» DART в схеме сегмента, находящегося под напряжением. Таким образом, ис­кро­вой разряд сам по себе рассматривается как элемент нормального режима работы для электрических цепей, в которых применена технология DART.

Источники питания DART и модули защиты сегмента DART всегда работают совместно и обеспечивают защиту ма­гистральной линии сети. Все возможные аварийные режимы, которые способны привести к образованию искрового разряда, обнаруживаются, и соответствующая им энергия ставится под контроль. ■

DART Fieldbus – простое и надёжное решение

Топология

Топология магистральной шины с кабельными отводами является до­вольно распространённой и часто используемой. Она фактически стала стандартной в системах автоматизации технологических процессов с применением промышленных сетей, так как её просто проектировать и ею просто управлять.

Топология магистрали с отводами предполагает наличие источников питания и коммутационных устройств промышленной сети (рис. 1). 

Кабель­ные отводы сертифицированы для подключения искробезопасных интеллектуальных приборов. Интел­лектуальные приборы подключаются к коммутационным устройствам промышленной сети – модулям защиты сегмента DART (DART Segment Pro­tector). Моду­ли защиты сегмента DART сертифицированы для установки во взрывоопасной зоне класса 1 с выходами, которые имеют уровень искробезопасной электрической цепи ib для электрооборудования группы IIC. Технология DART защищает производственное оборудование от очень взрывоопасных газов категории IIC (водородно-воздушная представительная взрывоопасная смесь). Построение промышленной сети на её основе означает, что

• одинаковые компоненты могут быть установлены по всему предприятию, в разных местах технологической цепочки;

• унифицируется по всему предприятию необходимый набор соответствующего запасного оборудования;

• упрощается процесс обучения и подготовки персонала.

Модули защиты сегмента DART допускают достаточную мощность для подключения необходимого в большинстве приложений количества приборов, но главное – они обеспечивают защиту от короткого замыкания, что является особенно важным, когда требуется провести техническое обслуживание оборудования без отключения его питания.

Как уже отмечалось, для DART Fieldbus допускается магистральный кабель длиной до 1000 м. До четырёх модулей защиты сегмента DART могут быть подключены к магистрали и обеспечивать устройства безопасным уровнем мощности. Длина кабельных отводов до 120 м – двойная длина, допускаемая концепцией FISCO. Основные технические параметры DART Fieldbus приведены в табл. 1. Реальная длина магистрали и количество приборов сильно зависят от конкретной топологии и выбранных приборов.

По ряду положений, установленных международным стандартом IEC 61158-2 на промышленную управляющую сеть, правила применения DART Field­bus в зоне класса 1 совпадают с концепцией FISCO или High-Power Trunk.

Для помощи пользователям в осуществлении текущего контроля и поддержки инфраструктуры полевой сети в целях обеспечения гарантированной работоспособности системы предлагаются модули расширенной диагностики FieldConnex Advanced Diagnos­tics [7].

Проектирование

DART Fieldbus проектируется подобно любому другому сегменту промышленной сети. Взрывозащита достигается почти бесплатно, очень незначительным объёмом работ, при этом предоставляется широчайший выбор возможностей и гибкость их реализации на этапах проектирования и построения сегментов промышленной сети.

При проектировании необходимо учитывать следующие положения:

• использование топологии магистрали с отводами от магистрали кабелем типа А;

• реализация схемы с резервированным источником питания DART Fieldbus на одной стороне магистрали;

• до 1000 м кабеля магистральной ли­нии;

• подключение до четырёх модулей защиты сегмента DART в любом мес­те магистрали.

На DART Fieldbus накладываются только отдельные ограничения, обусловленные условиями взрывозащиты, во всём остальном это – обычная промышленная сеть. Её создатели ставили одной из главных своих задач спроектировать компоненты и обеспечить взрывобезопасность так, чтобы проектирование и применение этой разновидности промышленной сети во взрывоопасной зоне было предельно простым.

Простота, с точки зрения создателей DART Fieldbus, должна распространяться прежде всего на работы по обеспечению искробезопасности и на такую их составляющую, как подтверждение искробезопасности. Для DART Fieldbus это возможно через сертификат системы, относящийся практически ко всем сценариям её применения. При таком решении нет необходимости ни в каких-либо вычислениях, ни в дополнительном учёте каких-то факторов и можно полностью сосредоточиться на организации промышленной сети и её запуске.

Все обязательные мероприятия по созданию промышленной сети на основе DART Fieldbus сводятся только к трём шагам:

1) использовать кабель типа A для промышленной сети;

2) проследить, чтобы длина кабеля магистральной линии была до 1000 м;

3) установить концентратор мощности (DART Power Hub), фактически яв­ляющийся источником питания, и модули защиты сегмента DART.

Резервированный концентратор мощ­­ности DART Power Hub устанавливается на одном конце магистрали, например в диспетчерской. До четырёх модулей защиты сегмента DART устанавливаются в любом месте магистрали. Длинный кабель протягивается для магистрали, по мере необходимости от отводов прокладываются шлейфы сегментов (рис. 2). И это всё.

Модуль защиты сегмента

Модуль защиты сегмента DART (рис. 3) обеспечивает защиту кабельных отводов (выходов) от короткого замыкания. Кабельные отводы имеют маркировку взрывозащиты Ex ib IIC для подключения искробезопасных приборов.

Основные характеристики модулей защиты сегмента DART:

• установка во взрывоопасной зоне класса 1;

• допустимое количество модулей за­щиты сегмента – до четырёх на один сегмент;

• параметры искробезопасности – 23,25 В/47 мА.

Модули защиты сегмента поставляются в практичных корпусах из не­ржавеющей стали или пластмассы, армированной стекловолокном, с кабельными вводами. Варианты испол­нения и принадлежности легко подбираются для конкретного случая применения.

Надёжность и прочность компонентов

Все компоненты DART Fieldbus (рис. 4) разработаны с учётом высочайших требований к надёжности и прочности, распространяющихся на всю продукцию промышленного назначения компании Pepperl+Fuchs. Для них характерны:

• отличное качество электронных схем;

• низкая рассеиваемая мощность;

• простая и надёжная коммутация через съёмные соединители со стопорными винтами;

• использование T-образного соедини­теля оригинальной разработки компании Pepperl+Fuchs;

• большой ресурс изделий;

• наличие комплекса необходимых инструментальных средств, обеспечивающих высокий коэффициент готовности составленных из компонентов DART Fieldbus систем.

Перспективы

Под руководством PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt – Физико-технический федеральный институт, Германия) сложился консорциум компаний, который работает над приданием концепции DART статуса стандарта IEC. Основной причиной, побуждающей многих специалистов поддерживать DART Fieldbus, является простота данной промышленной шины во всех аспектах обеспечения взрывозащиты. Это простота определяется:

• функциональной совместимостью, основанной на общепринятом стандарте IEC;

• простотой понимания базовой концепции и, как следствие, простотой проектирования и разработки соответствующих структур;

• простотой аттестации и применения.

Концепция, лежащая в основе DART Fieldbus, находится в состоянии постоянного развития и совершенствования, поэтому в будущем от её разработчиков ожидаются новые идеи и решения.

Компоненты FieldConnex DART PROFIBUS PA

Так как технология DART защищает исключительно магистраль, DART Field­­bus может быть использована по­добно любой другой инфраструктуре PRO­FI­BUS PA, доступной сегодня. Это сулит:

• обширнейший выбор инструментальных средств для нового производственного оборудования;

• защиту капиталовложений в существующее инструментальное оснащение на случай модернизации.

Теперь контрольно-измерительная аппаратура сети PROFIBUS PA на промышленном предприятии может быть установлена с длинными кабельными отрезками, искробезопасными на всём своём протяжении.

Рассмотрим компоненты, которые делают это возможным.

Концентратор мощности DART (DART Power Hub, упоминавшийся ра­нее как устройство, фактически являющееся источником питания) и сегментный соединитель (Segment Coupler) вместе образуют сборку SK3, выполненную на основе популярного силового концентратора с высоким значением удельной мощности Field­Connex (FieldConnex High-density Power Hub) [3]. Конструк­тивно эта сборка состоит из объединительных плат, содержащих силовые модули и модули шлюзов для подключения к сети PROFIBUS DP (рис. 5).

Концентратор мощности DART Power Hub обеспечивает распределение нагруз­­ки. Он равномерно распределяет ток на­грузки между резервированными силовы­ми модулями. Работа силового модуля в наиболее энергосберегающем ре­жи­ме снижает требования к охлаждению электронного оборудования и увеличивает срок его службы. Под­клю­чение модуля DART Power Hub к сети PROFIBUS DP является «прозрачным»; это означает, что устрой­ст­ва PROFIBUS PA представляют­ся как ведомые устройства сети PROFIBUS DP.

Модуль SK3 размещается в конце магистрали, например в шкафу диспетчерской. Он обнаруживает электрический разряд и «гасит» его. Кроме того, модуль SK3 обеспечивает:

• текущий контроль физического уровня сети посредством дополнительного (поставляемого по заказу) модуля расширенной диагностики (Advanced Diagnostic Module);

• распределение нагрузки между резервированными силовыми модулями;

• возможность переключения резервированных шлюзов;

• выходную мощность до 22,5 В × 360 мА;

• «прозрачное» подключение к сети PROFIBUS DP.

Модуль SK3 сам по себе не требует кон­фигурирования. Это упрощает процесс конфигурирования системы в целом.

SK3 является ведущим устройством на один сегмент сети, обеспечивающим быстрые и надёжные коммуникации. При использовании в компактных установках SK3 может снабжать питанием два сегмента сети.

DART Power Hub для FOUNDATION Fieldbus H1

Модуль DART Power Hub для сети FOUNDATION Fieldbus H1 (FF H1) выполнен на основе популярного силового концентратора с высоким значением удельной мощности Field­Connex (рис. 6). 

Этот модуль обеспечивает питанием сегмент и соединение с рас­преде-лённой системой управления, поэтому размещается на соответствующем конце магистрали, например в шкафу диспетчерской. Он обнаруживает электрический разряд и «гасит» его.

Кроме того, DART Power Hub обеспечивает:

• текущий контроль физического уровня сети посредством дополнительного (поставляемого по заказу) модуля расширенной диагностики (Advanced Diagnostic Module);

• распределение избыточности силовых модулей;

• выходную мощность до 22,5 В × 360 мА;

• интерфейс узла сети, настраиваемый пользователем для простого соединения с любой распределённой системой управления.

В сети FF H1 применяется модуль защиты сегмента, аналогичный такому же модулю для сетей PROFIBUS PA (рис. 7).

Заключение

Использование промышленных сетей PROFIBUS PA и FOUNDATION Fieldbus H1 стало признанным стандартами решением для соединения и обеспечения электропитанием удалённых устройств ввода/вывода и интеллектуальных приборов во взрывоопасной зоне. Необходимость обеспечения искробезопасности диктует жёсткие ограничения мощности для предотв­ращения образования искрового разряда. Относительно новая технология DART, применяемая для промышленной ши­ны, позволяет преодолеть эти ограничения, делая возможным ис­пользование более длинных кабельных отрезков и большого числа уст­ройств с обеспечением полной искробезопасности.

Новое решение DART Fieldbus (полевая шина с оборудованием DART на основе концепции FieldConnex) обеспечивает то, что запрашивали многие пользователи, – искробезопасную концепцию магистральной линии связи (High-Power Trunk). DART Fieldbus преодолевает ограничения концепций искро­безопасной полевой шины FISCO и Entity и делает возможным:

• производство работ на магистрали и устройствах без отключения и получения специального разрешения;

• резервирование источников питания с распределением нагрузки;

• использование более длинных ка­бельных отрезков и большего количества устройств;

• уменьшение объёма необходимого оборудования (как следствие, снижение требований к размерам шкафов).

Концепция динамического обнаружения и прерывания электрического разряда DART признана как значительная инновация. Между тем её внедрение влечёт для разработчиков и операторов лишь незначительные изменения некоторых обстоятельств, так как эта концепция проста для понимания и реализации. При этом она обеспечивает:

• полностью искробезопасную установку;

• встроенное резервирование;

• снижение необходимого уровня подготовки и обучения персонала;

• простую аттестацию решений без вычислений (в концепции уже учтены результаты оценки по наихудшему случаю, в качестве которого приня­та представительная взрывоопасная смесь IIC; все другие случаи являются заведомо более благоприятными и не нуждаются в дополнительном подтверждении искробезопасности).

И что особенно важно, DART обеспечивает соединение кабельными отводами всей существующей полевой контрольно-измерительной аппаратуры, соответствующей требованиям традиционной расчётной модели оценки искробезопасности Entity. ●

Литература

1. Жданкин В.К. Динамическое обнаруже­ние и прерывание электрического разря­да – новая концепция обеспечения искро­безопасности // Современные техноло­гии автоматизации. – 2009. – № 4.

2. Жданкин В.К. Новая концепция обес­печения взрывозащиты DART на пути к стандартизации // Территория НЕФТЕ­ГАЗ. – 2009. – № 10.

3. Жданкин В.К. Концепция FieldConnex® для промышленных сетей FOUNDATI­ON Fieldbus H1 и PROFIBUS-PA: повы­шение производительности и снижение затрат // Современные технологии авто­матиза­-ции. – 2009. – № 2, 3.

4. Кесслер М. Полевая шина с оборудова­нием DART – скажите «НЕТ» искрению// Информатизация и системы управле­ния в промышленности. – 2011. – № 2.

5. Кругляк К.В. Промышленные сети: цели и средства // Современные технологии автоматизации. – 2002. – № 4.

6. ГОСТ Р 52350.27-2005 (МЭК 60079-27:2005). Электрооборудование для взрыво­опасных газовых сред. Часть 27. Кон­цепция искро­безопасной системы поле­вой шины (FIS­CO) и концепция невос­пламеняющей системы полевой шины (FNICO).

7. Жданкин В.К. Модули расширенной диаг­ностики FieldConnex® повышают коэффициент готовности производ­ственного оборудования // Территория НЕФТЕГАЗ. – 2009. – № 8.

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru