对电火花说不

使用创新方法消除传统本安现场总线网络的功率约束,可以限制危险区域的能量。这正是倍加福DART技术和解决方案希望实现的效果。

     自从倍加福公司在2008年汉诺威大展上因为DART(动态飞弧识别与关断)技术获得了Hermes技术进步大奖之后,这种无论对于本安工程师还是过程行业工程师都是全新的方法,就一直在迫切的等待机会,成为工厂实际使用的解决方案,展示自己的优势。

     另外一个理由是,DART技术(现在也被称为“Power-I”)拥有可以为过程自动化带来革命性变化的全部特征,能够消除之前在工厂的危险区域内低成本的部署高功率设备的所有限制,而这之前一直都困扰着仪表工程师。

     所以,在获得Hermes大奖之后,三年时间里这项技术一直在迅速的得到认可。在4月举办的2011年汉诺威大展上,倍加福公司连同FieldConnext系列现场总线基础架构元件一起,官方发布了DART现场总线,这是该项技术的第一次实际应用。

     “DART现场总线是一项令人激动的卓越技术,因为它以一种全新的方法解决了本安应用中所有有关功率方面的问题,消除了能源的限制,它支持功率非常高的直接供电,”倍加福公司产品行销经理Andreas Hennecke如此说道。

     “DART的独特之处在于,可以让过程自动化的用户充分领略到在危险区域使用本安型现场总线技术的优势,包括保证系统的高可用性和降低总体的拥有成本。” 

危险区域

    为了充分理解DART的创新之处,我们需要回顾一下关于“危险区域”的一些基本概念。在这些区域,出现意料之外的电火花,可能会引起灾难性的爆炸。

     危险区域的概念最常出现在油气和化学工业之中,当然也会出现在比如水及污水处理(蒸煮器释放的甲烷)和采矿(爆炸性粉尘)行业。

     根据IEC的分类,危险区域根据存在爆炸的可能性被划分为三个等级:

    Zone 0 - 爆炸危险持续或者长期存在;

    Zone 1 - 爆炸危险在正常操作时存在;

    Zone 2 – 正常操作时并不存在爆炸危险,如果存在危险,持续的时间也较短。

    对于需要部署在危险区域的过程用电气设备,比较好的一个解决方案是基于“本安”(Ex-i)的概念避免电火花的产生。本安的核心是限制设备的电流,通常使用远程电源或者隔电安全栅。

    另外一个保护设备的方法是使用“防炸”机箱,这样可以将任何爆炸限制在机箱的内部。这些机箱需要独立实验室进行评估和认证。这种保护方法通常用于无法实现本安的较大型设备,比如泵。

 现场总线的问题

    流程行业中主要使用的工业总线网络技术,是基金会现场总线和Profibus PA,它们逐渐取代了20年来占主导地位的传统4-20 mA布线方式。总线技术的优点包括可以减少布线和机箱尺寸、快速试车,以及强化资产管理。

   然而,如果谈到在危险环境中使用现场总线,相对于一般环境来说就要使用限制更多(更加复杂)的网络,对于用户来说,他们需要考虑更多有关线缆长度、多点设备方面的问题,也就很难领略到现场总线的优势。

    第一套危险区域现场总线解决方案使用的是Entity的概念。尽管它可以通过限制总线电缆上允许通过的电流达到本安的要求,它同时也限制了每个网段上仪表的数量,因为在这样的电缆上,就连支持超过3、4台设备的功率(小于2瓦)都没有。

    Entity的这些缺点敦促了现场总线本安概念FISCO的发展。尽管它可以降低系统的复杂性和成本,同时也允许更大的通过电流,每个网段能够支持更多的设备(最高达8台),但是其电流量和电压水平还是相对较低,限制了整体电缆和分支的长度。

    其他的解决方案还包括大功率主干概念(HPTC),它支持在主电缆上更大的功率水平,拥有本安隔离栅(也就是网段保护器),可以降低电流水平,连接现场设备。尽管与FISCO相比这项解决方案进一步提升了功率水平和网段设备数量,但是需要主干电缆的保护安装架构。

    根据ARC顾问集团在2011年2月发布的一项报告显示,HPTC一般需要安装现场总线时采用两种不同的保护方法—一种用于保护主电缆,另外一种用于保护分支,但是有时候客户并不喜欢这么做。所以就如同报告所指出的,“需要更聪明的爆炸保护混合方法,才能实现现场总线在危险区域的突破。”这就是DART技术诞生的原因。

  电火花的电气属性(U=电压,I=电流,P=功率)。需要注意的是,着火的情况只能在关键阶段发生。

DART可以检测电火花,几乎能够即时切断电源,大幅降低了电火花的持续时间,避免它发展到关键阶段。

                                DART现场总线的架构

保护与切换

    现今爆炸保护解决方案的缺陷,是倍加福深入参与到一项相关研究项目(该项目由德国联邦经济与劳动部资助)的重要原因。项目的研究结果,就是2008年汉诺威大展上的突破性技术。现在,时间进入2011年,动态电弧识别与终止技术的第一款商业产品已经问世。

     正如其名字所显示的那样,DART电路可以检测由于突然电流变化所导致的危险区域电火花。电火花具有一些特殊属性,如果这些属性值达到一定高度,DART就会在几微秒之内切断电流,阻止电火花的温度达到可以引燃任何危险气体的程度。相比现有的本安方法,这绝对算得上一项创新技术,因为它不再是通过限制危险区域能量来阻止可能出现的电火花,因此可以保持相当的功率水平,任何电火花都可以在其酿成重大事故之前快速的消除。 

减少约束

    “我们第一个关于DART现场总线的创意,源于本安型现场总线应该具备安全区域运行的现场总线同样的属性和功率水平,”倍加福公司元件与技术部门技术总监Michael Kessler解释道。

     DART现场总线是倍加福在危险区域应用现场总线(包括基金会和Profibus PA)的解决方案。因为DART可以让主电缆的工作功率更高,减少了对于线缆长度的限制、减少了设备数量以及其他保护方案需要注意的蹩脚设计和结构。

     事实上,通过DART技术,应用于危险区域和安全区域的现场总线之间的差异基本已经可以忽略了。主电缆的长度最大可以达到1000米,而分支的长度最大可能达到120米,每个网段最多可以支持32台设备,支持现有的本安设备和电源冗余,可以确认本安系统的安装并具有高级诊断的功能。DART现场总线已经得到了本安国际标准IEC 60079-11油气组织IIC的认证。

     在产品方面,DART现场总线依托在倍加福的FieldConnex品牌之下,产品包括DART配电器和DART网段保护器。在Zone 2的环境下,配电器可以向现场总线网段提供22.5伏、260毫安的电力,并与过程控制系统连接。在非安全区域,比如危险区域Zone 1,网段保护器可以向连接的设备提供本安输出(10.5-22.5伏,34毫安)。每个网段最多允许4台网段保护器,而每一个保护器有12个输出。 

设定目标

    基金会现场总线和Profibus PA已经成为在流程企业连接现场仪表的标准。然而,对于过程用来说,因为最为重要的是保证安全,在危险区域安装现场总线还没有达到与一般区域一样的经济和灵活。

     但是现在,随着倍加福公司FieldConnex DART现场总线的发布,上述问题将不复存在。这项创新技术可以实现国际水准的本安功能,同时降低成本、复杂性,同时可以消除传统危险区域现场总线网络相关的约束。“在爆炸环境中使用现场总线的流程用户,将会深深受益于DART技术,”ARC顾问集团曾经做出了这样的描述。确实,就如其英文名字—飞镖一样,DART技术同样非常锋利,瞄准靶心,一击即中。

     倍加福公司为本文提供了部分内容。了解更多DART技术的信息, 请访问:www.dart-fieldbus.com.sg

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