1. 前言

燃氣、化工生產過程中相當大的一部分場所為具有爆炸危險性氣體存在的危險場所，自動控制系統(tǒng)在這類場合下的應用一定要遵從符合防爆安全技術規(guī)范。在爆炸危險區(qū)內本質安全防爆（Ex-i）方式是自控設計者經常使用的方法，本安防爆在過程控制系統(tǒng)工程設計、施工、工程造價以及可操作性和維護性等方面相對于其他防爆形式（Ex-d、Ex-e、Ex-m等）具有明顯的優(yōu)越性。

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(huán)境用電氣設備的前題條件是合理的選擇、正確的安裝和考慮系統(tǒng)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。
危險場所就是由于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(yè)中爆炸性物質的生產、加工和貯存過程中所形成的環(huán)境。對爆炸性氣體環(huán)境，按場所中危險物質存在時間的長短，將爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域劃分為三個區(qū)，即分為0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)。
0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
1區(qū)：在正常運行時可能出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
2區(qū)：在正常運行時不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混和物的環(huán)境或即使出現(xiàn)也僅是短時存在的爆炸性氣體混和物的環(huán)境。
為實現(xiàn)電氣設備防爆，工程上采取了多種防爆技術方法，并通過防爆認證，構成防爆電氣設備，用來防止爆炸危險性環(huán)境形成及其爆炸。主要有隔爆、本安、增安、正壓、充油、充砂、無火花型等形式的防爆電氣設備。對于自控系統(tǒng)來說，最常見的是隔爆和本安兩種防爆技術方法。本安防爆技術又具有很多優(yōu)點，如本質安全，結構簡單，可帶電檢修等，在過程儀表自控系統(tǒng)中是第一選擇。
本質安全型電氣設備是從限制電路中的能量入手，通過可靠的控制電路參數(shù)設計，將潛在的電火花能量降低到可點燃規(guī)定的氣體混合物能量以下，導線及元件、殼體表面的發(fā)熱溫度也限制在規(guī)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(guī)定條件（包括正常工作和規(guī)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(guī)定的爆炸性氣體環(huán)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GB3836.4標準）。本安防爆形式因對能量有嚴格的限制，因此只能應用于弱電設備中，設備其中本安設備適用于0、1、2區(qū)。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系統(tǒng)應用。
3. 安全防爆場所的兩種應用解決方案
（1）從點對點接線到點對點接線（Point to Point）解決方案
即傳統(tǒng)DCS/PLC/IO板卡+安全柵方案。這類本安防爆接口以隔離式和齊納式安全柵為代表。應用特點是本安防爆現(xiàn)場儀表以點對點的接線方式通過電纜接至安全區(qū)控制柜內的安全柵，安全柵再以點對點的接線方式接至控制系統(tǒng)（DCS/PLC/IO板卡）的通用I/O卡。這是傳統(tǒng)的本安防爆接口技術。
目前，在我國大部分企業(yè)生產過程底層的測控自動化系統(tǒng)中，仍采用這種點對點接線到點對點接線的方式。采用這種方式，生產現(xiàn)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，如0-1MPa的氣壓信號，0-10mA、4-20mA的直流電流信號，1-5V直流電壓信號等，送往集中控制室這一傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)體系結構。模擬信號變化緩慢，提高計算速度與精度的開銷、難度都較大，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。點對點的連接，需要大量的電纜和接線端子，系統(tǒng)施工時要耗費大量的人力，且很難保證連接的可靠性。為數(shù)眾多的連接點及故障診斷的困難，也給日后系統(tǒng)的檢修及維護帶來了很大的不便。
 
（2）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，產品核心包括總線式隔離安全柵。其中極具代表性的是智允電子的ZY系列總線式隔離安全柵。見圖所示：安全柵安裝在隔爆的箱體內部，直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，通過點對點電纜連接至Ex.Zone 0區(qū)的本安儀表。
 
其應用特點是：現(xiàn)場儀表仍可以采用傳統(tǒng)4～20mA本安儀表，以點對點的接線方式接至分布式I/O既總線式隔離安全柵，安全柵不僅僅具有安全柵功能，為現(xiàn)場回路提供本質安全防爆，而且把現(xiàn)場點的儀表信號轉換為MODBUS通訊協(xié)議的RS485信號。
采用這種方案，
• 一根雙絞線可連接多臺設備，從而減少導線數(shù)量，降低配線成本。
• 由于采用數(shù)字式傳輸方式，可以處理高精度的信息，品質管理更加嚴密。
• 由于實現(xiàn)了多重通信，可以傳送現(xiàn)場儀表PV值、MV值以外的信息。
• 現(xiàn)場儀表之間可以通信，實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表的自律分散控制。
• 由于確保了相互運用性，不同廠家的儀表可以組合。
• 不限定廠家、機型，選擇范圍廣，構成了最佳的系統(tǒng)。
• 實現(xiàn)了儀表測量、電機、分析儀等各種系統(tǒng)的綜合化。
• 在儀表室可以對現(xiàn)場儀表進行部分調試、點檢。
• 多種診斷功能，為系統(tǒng)的維護帶來了極大的方便。
因此可以給用戶帶來巨大的收益：
• 大量節(jié)省用戶I/O成本及工程材料成本；
• 簡化用戶設計、施工工作，優(yōu)化系統(tǒng)線路結構;
• 提高系統(tǒng)的安全性可靠性；
從以上的特點可以看出，應用現(xiàn)場總線構成全新系統(tǒng)成為解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)諸多缺陷的一個最佳的選擇。這一結論，從目前眾多的現(xiàn)場總線應用實例中能夠得到很好的驗證。全面采用現(xiàn)場總線技術已是大勢所趨。
 
4. ZY總線式隔離安全柵介紹
智允電子的ZY系列智能隔離式安全柵集信號浪涌保護和隔離式安全柵、數(shù)據采集轉換功能合三為一。
產品采用電磁耦合技術，實現(xiàn)電源、信號輸入、信號輸出的可靠隔離，且無需本安接地，大大增強了檢測和控制回路的抗干擾能力。它在產品的本安側加上浪涌保護功能，使用更安全、更經濟、更方便。同時產品在設備中集成了I/O、數(shù)據采集和隔離的RS-485總線接口，支持Modbus協(xié)議，可以為用戶在主控設備和現(xiàn)場信號之間提供完整的數(shù)據采集和通訊解決方案，它也是一種總線式隔離安全柵。
最有特色的是ZY系列智能隔離式安全柵中的RS-485、 RS22、RS232通訊安全柵，產品內置了燃氣、石化行業(yè)的主流本安型儀表的通訊協(xié)議，可以根據需要將相關儀表信號轉換為MODBUS RTU & ASC II 標準通訊協(xié)議，省卻了工程技術人員解析各種非標通訊協(xié)議的痛苦。
ZY系列智能隔離式安全柵浪涌保護性能
－總線通訊端高達10kV（1.2/50μs）抗浪涌能力
－額定放電電流In（8/20）μs：5kA（線對線，線對地）
－最大放電電流Imax（8/20）μs：10kA（線對地）
－響應時間： 10ns
 
ZY系列智能隔離式安全柵認可標準及產品認證
— 認可標準：
GB3836-1-2000《爆炸性氣體環(huán)境電氣設備 第1部分：通用要求》
GB3836.4-2000《爆炸性氣體環(huán)境電氣設備 第4部分：本質安全型“i ”》
GB18802.21-2004《低壓電涌保護器 第21部分：電信和信號網絡的電涌保護器（SPD）—性能要求和試驗方法》
— 產品認證：
國家防爆電氣產品質量監(jiān)督檢驗中心防爆認證。
 
5. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的特點
1. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的技術優(yōu)勢
本安防爆分布式I/O方案能夠照顧和符合目前大部分用戶的使用、維護水平和要求，工程投資節(jié)約也非常明顯，因此將得到廣泛應用。采用本安防爆分布式I/O方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：
與傳統(tǒng)安全柵方案相比
 由于減少了電纜和控制系統(tǒng)I/O卡的使用量，從而可節(jié)省系統(tǒng)的硬件成本；
 本安分布式I/O集成本安電路比原來I/O卡+安全柵的成本低，而且結構簡單緊湊，占用控制柜空間小，能使用相應的體積更小的控制柜，緊湊的結構導致成本大幅度地降低。
 由于本安分布式I/O可以直接安裝應用在危險Ex.Zone 2、1區(qū)，減少了電纜鋪設和接線的工作量，從而可降低工程的施工費用。
 集成的總線鏈接器代替過去密集、冗長的電纜，能夠明顯加快安裝調試過程。
 由于分布式I/O模塊智能化程度大大提高，更方便用戶的使用和維護。
 從控制室到現(xiàn)場本安分布式I/O之間只有一條總線，一目了然且不容易發(fā)生故障并簡化維護。
 本安分布式I/O簡單的結構意味著快速的安裝，少量的接線，更少的故障點。
 不依賴于有源的背板總線“熱插技”技術使得ET200iSP的維護工作大大降低。不需要將整個系統(tǒng)停機或斷電就可以在幾秒鐘內更換一個模塊。相互獨立的接線端子底板和電子模板結構避免了重復接線的工作。
與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線方案相比
 可將傳統(tǒng)模擬量信號掛接到現(xiàn)場總線上，這些模擬量信號如4～20mA信號（AI/AO）、熱電偶和熱電阻信號、NAMUR開關和干接點信號（DI）、NAMUR或干接點頻率量信號（PI）、電磁閥驅動信號及報警輸出信號（DO）等，并不會很快被現(xiàn)場總線完全取代；
 與現(xiàn)場總線方案相同也可在一根總線上傳遞多點位的測量和控制信息；
 更適應員工素質的逐步提高，既可使用傳統(tǒng)的儀表檢測工具對現(xiàn)場儀表進行維護和檢修，又可使用PC機等智能工具學習現(xiàn)場總線儀表的維護和檢修方法，為今后使用現(xiàn)場總線儀表做準備。
可見，利用總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案是比較適合我國目前儀表控制系統(tǒng)發(fā)展水平的一種本安防爆系統(tǒng)解決方案，其綜合了傳統(tǒng)點對點本安防爆和本安現(xiàn)場總線這兩種方式的優(yōu)點，既有技術先進性，又照顧了傳統(tǒng)儀表的使用方式，因此本安防爆分布式I/O方案具有非常強的技術、經濟優(yōu)越性，具有非常最大的應用發(fā)展空間。
 
2. 以總線式隔離安全柵為核心的本安防爆分布式I/O方案的適用場合
雖然具有本安防爆功能的分布式I/O技術發(fā)展很快，但是什么樣的防爆場合適用分布式I/O方案仍然是人們經常關心的話題。實踐表明，在以下幾種防爆場合，用戶應考慮采用分布式I/O方案。
 當同時建設幾個比較分散的生產裝置時，用戶既不愿為每個裝置都建設獨立的主控室，又不愿將太多的錢花在電纜和橋架上。
 當主要裝置進行建設時，常有某些輔助裝置不能同步建設，或者主裝置的某一部分不能同步進行，甚至不能確定這些部分何時才能建設，如果預留這部分的主控室空間或DCS容量，單次投資又太大。此時，若這些輔助裝置和不確定的部分需要本安防爆，則可設計采用分布式I/O方案，待進行后期建設時加入主系統(tǒng)即可。
 防爆生產裝置在原有控制系統(tǒng)基礎上改擴建，尤其工期較緊時。推薦采用防爆分布式I/O方案，這樣可以減少新增點調試時對原系統(tǒng)控制程序的干擾和誤修改，便于獨立調試。
 或是當生產裝置改擴建時，用戶希望避免在已經擁擠的主控室擴充新的 DCS 機柜和安全柵機柜。此時，只要原有的DCS系統(tǒng)具有總線通信能力，便可采用分布式I/O方案。
 當一個裝置的檢測點較多，同時購置大量I/O卡和安全柵成本很高。此時，較合理的方案就是采用結合I/O卡和安全柵功能為一體的防爆分布式I/O方案。
 當控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方案，某一個防爆生產裝置的有些現(xiàn)場儀表沒有本安現(xiàn)場總線型品種，或者不值得采用現(xiàn)場總線型儀表。這時可采用能掛接到現(xiàn)場總線上去的防爆分布式I/O。
用戶應結合自己的現(xiàn)場情況和控制應用需要，合理選用分布式I/O，設計出既安全可靠，又節(jié)省投資的應用方案。