 |
Системы искробезопасного удаленного ввода/вывода IS Remote IO.
В предыдущей статье мы рассмотрели
построение искробезопасного ввода/вывода с использованием барьеров. Однако зачастую
такой линейный подход себя не оправдывает. Ситуацию прояснит следующий
показательный пример: допустим, проектируется система управления с тысячью
сигналами ввода/вывода (1000 EX IOs), для которых необходимо обеспечить
искробезопасность. Давайте прикинем, какое оборудование для этого потребуется.
Во-первых, нужно организовать саму подсистему ввода/вывода на 1000 каналов, но
без этого никуда не денешься. Во-вторых, необходимо обеспечить искробезопасность
полевых сигналов путем установки соответствующих барьеров. При средней цене
одного барьера в 160 евро (это усредненная цена между барьерами для аналоговых и
дискретных сигналов) их суммарная стоимость составит 160 евро x 1000 = 160 000
евро. Причем, эта цена не охватывает дополнительные источники питания, провода,
клеммники и сопутствующую монтажную часть. С учетом всего перечисленного
стоимость решения по обеспечению искрозащиты может возрасти до 180 000 – 190 000
евро. Сумма весьма внушительная и является поводом для размышления.
К счастью есть более элегантное, а главное дешевое, решение. Многие
производители АСУ ТП объединили подсистему удаленного ввода/вывода и
стандартные барьеры искробезопасности
в одном модульном устройстве и дали ему сложное название "узел искробезопасного
удаленного ввода/вывода" (Intrinsically Safe Remote IO, или сокращенно IS RIO).
Особенностью данного устройства является то, что искрозащита подключенных
полевых цепей реализуется в модулях ввода/вывода, а само устройство
предназначено для установки непосредственно во взрывоопасных зонах (Ex-зонах).
В качестве примера, на рисунке 1 изображен узел IS RIO серии ET200iSP
производства компании Siemens. Узлы ET200iSP допускают инсталляцию в Ex-зонах 1,
2 и служат для подключения датчиков и исполнительных устройств, работающих в
Ex-зонах 0, 1 и 2.
Рис. 1. Узел IS RIO серии ET200iSP компании Siemens.
Как видно их рисунка, по конструкции и внешнему виду
узел IS RIO не сильно отличается от обычного узла удаленного
ввода/вывода (рассмотренного в статье
“Полевой ввод/вывод”).
По аналогии можно выделить следующие аппаратные модули:
1. Взрывозащищенный блок питания (или
резервированные блоки питания);
2. Искробезопасный интерфейсный модуль
(или резервированная пара интерфейсных модулей);
3. Искробезопасные модули ввода/вывода;
4. Терминальные панели.
Каждый модуль ввода/вывода устанавливается на свою
терминальную панель, к которой через винтовые клеммы
подключаются сигнальные провода полевого ввода/вывода. Для
установки интерфейсного модуля используется несколько другая
терминальная панель, на которой вместо клемм находится
разъем для подключения к цифровой полевой шине (на рисунке
разъем DB9 для шины Profibus DP). Также существует
специальная терминальная панель для установки блока питания.
Все терминальные панели монтируются на стандартную
профильную шину или DIN-рейку в следующем порядке: первой
устанавливается терминальная панель блока питания (или двух
резервированных блоков питания), за ним идет терминальная
панель интерфейсного модуля (или пары интерфейсных модулей),
далее идут терминальные панели модулей ввода/вывода. При
состыковке терминальных панелей образуется составная
внутренняя шина, проходящая через всю сборку. По этой шине
осуществляется информационный обмен между установленными
модулями и подводка к ним электропитания. Модули
ввода/вывода по типу аналогичны тем, что используются в
обычных системах ввода/вывода: AI, DI, AO и DO. Канальность
аналоговых модулей варьируется от 2-х до 8, дискретных – от
8 до 16.
Узлы IS RIO, как правило, поддерживают установку до 8
модулей ввода/вывода. При этом есть жесткие ограничения на
суммарно потребляемую мощность. При компоновке узла очень
важно следить, чтобы его общее потребление не превышало
определенный предел (указанный в прилагаемом руководстве по
проектированию), иначе это может привести к чрезмерной
нагрузке на источник питания, а недопустимо большие токи
снизят уровень взрывозащиты. Во всех современных системах IS
RIO допускается “горячая” замена интерфейсных модулей и
модулей ввода/вывода.
Интерфейсный модуль позволяет подключать узел IS RIO к
цифровой шине передачи данных, используя стандартный
коммуникационный протокол; при этом модуль, как правило,
реализует функции ведомого устройства. Наиболее
распространены протоколы Profibus, Modbus и ControlNet.
На рисунке 2 представлен узел IS RPI (Intrinsically Safe
Remote Process Interface) компании Pepperl Fuchs. Обратите
внимание, что в отличие от ET200iSP, данное устройство не
резервировано. Также бросается в глаза, что блок питания не
устанавливается на терминальную панель в сопряжении с
другими модулям узла, а инсталлируется отдельно (на рисунке
блок питания вообще не изображен). Характерной чертой данной
системы является расширенный диапазон рабочих температур от
-20 до 70 °С, что позволяет устанавливать оборудование IS
RPI в шкафах без обогрева в неотапливаемых помещениях и на улице (в
условиях среднеевропейского климата).
Рис. 2. Узел IS RPI компании Pepperl Fuchs.
Рассмотрим все преимущества и недостатки использования IS
RIO на примере. На рисунке 3 представлен классический подход
организации ввода/вывода. Каждый канал ввода/вывода
расключен через IS-барьер. Собственно, ничего нового в этой схеме
нет, все было подробно рассмотрено в предыдущей статье.
Рис. 3. Схема обеспечения искробезопасности с
использованием барьеров.
Теперь мы схему слегка оптимизируем и внедрим IS RIO.
Результат нашей плодотворной деятельности изображен на
рисунке 4. К контроллеру по цифровой шине подключены узлы IS
RIO, которые находятся во взрывоопасной зоне 1 недалеко от
полевого оборудования. Само же
полевое оборудование вообще располагается в зоне 0.
Рис. 4. Схема искробезопасного ввода/вывода на основе IS RIO.
Обратите внимание на цифровую шину (IO
BUS), соединяющую контроллер и узлы IS RIO. Определенная
часть шины проходит во взрывоопасной зоне,
поэтому для нее, как и для полевых сигналов, необходимо
обеспечить надежную искрозащиту. Это делается с помощью
хитрых разделительных барьеров для цифровых шин (Bus
Couplers), устанавливаемых в безопасной зоне. Например,
подобный барьер позволяет передавать кадры протокола
Profibus DP по специальной шине, построенной на базе
физического уровня IS RS-485 и являющейся искробезопасной
модификацией обычного RS-485. Некоторые системы IS RIO
поддерживают подключение к оптическим цифровым сетям и,
естественно, не требуют никаких барьеров шины (оптоволокно в
принципе не может быть искроопасным). Подобные системы
поставляются, например, немецкой компанией Stahl.
Кончено же, узлы IS RIO не вешаются на стенку в незащищенном
виде, а инсталлируются в специальные корпуса (шкафы) для
взрывоопасных зон. Корпуса, предназначенные для зоны 1,
изготавливаются в соответствие со взрывозащитой типа EEx E
(повышенная безопасность) и имеют степень защиты не ниже
IP65. Такие корпуса имеют надежные резиновые уплотнения, а
кабельные вводы выполнены с помощью винтовых соединений и
надежно герметизированы. Для зоны 2 требования по
безопасности несколько демократичнее; хотя и здесь лучше
переусердствовать, чем что-то не учесть. На рисунке ниже
показан смонтированный шкаф системы IS RIO:
Рис. 5. Пример смонтированного шкафа системы IS RIO.
Преимущества применения системы IS RIO очевидны:
1. Сокращение кабельных трасс. В отличие
от барьеров, узлы IS RIO могут устанавливаться рядом с
датчиками и исполнительными механизмами, а оцифрованные
сигналы ввода/вывода передаются на верхний уровень по
двухпроводной цифровой шине.
2. Минимизация оборудования. Каждый модуль
ввода/вывода системы IS RIO, по сути, выполняет две функции:
непосредственный ввод/вывод полевых сигналов и обеспечение
искрозащиты подключенных к нему полевых цепей.
Вместе с тем было бы несправедливо не упомянуть один
существенный недостаток: требуются достаточно большой объем работ по конфигурированию сетевого
интерфейса между контроллерами верхнего уровня и узлами IS RIO, зачастую являющимися по отношению к контроллеру
устройствами стороннего производителя. В целом же
практика показывает, что применение системы IS RIO оправдано
при большой плотности искробезопасных сигналов ввода/вывода,
когда их доля составляет не менее 30% от общего числа
сигналов; в этом случае стоимость организации уровня
ввода/вывода может быть уменьшена на 20-25% по сравнению с
решением на основе классических барьеров.
В помощь инженеру:
список производителей барьеров и систем IS RIO.
|
|
