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西門子模塊6ES7214-2AS23-0XB8參數(shù)詳細(xì)
西門子模塊6ES7214-2AS23-0XB8參數(shù)詳細(xì)
1. 前言
化工生產(chǎn)過程中相當(dāng)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(yīng)用一定要遵從符合防爆安全技術(shù)規(guī)范,。在爆炸危險區(qū)內(nèi)本質(zhì)安全防爆（Ex-i）方式是自控設(shè)計者經(jīng)常使用的方法,，本安防爆在過程控制系統(tǒng)工程設(shè)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*性,。
西門子的全集成一體化控制系統(tǒng)在危險區(qū)的本安防爆應(yīng)用方式上具有很大的靈活性,。具有大量安全防爆產(chǎn)品可供用戶設(shè)計成為滿足不同要求的本安防爆系統(tǒng)，極大的方便了用戶的選擇和應(yīng)用,，用戶可以根據(jù)自己的實際情況和資金情況涉及建立自己要求的防爆控制系統(tǒng),。
本文就西門子防爆系統(tǒng)的幾種應(yīng)用方式進行了探討和總結(jié)，以求對防爆用戶的設(shè)計應(yīng)用有所幫助啟發(fā),。
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(shè)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(chǎn)運行時必要的維護。因此應(yīng)根據(jù)其使用所在的危險場所的性質(zhì)來合理的選擇防爆電氣設(shè)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(zāi)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(zhì)的生產(chǎn)、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(zhì)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Ex.Zone0區(qū),、Ex.Zone1區(qū)和Ex.Zone2區(qū)。
Ex.Zone0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,。
Ex.Zone1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,。
Ex.Zone2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。
在工程實踐中,，Ex.Zone0區(qū)一般只存在于密閉的容器,、貯罐等內(nèi)部氣體空間，在實際設(shè)計過程中Ex.Zone1區(qū)也很少存在,，大多數(shù)情況屬于Ex.Zone2區(qū),。
為實現(xiàn)電氣設(shè)備防爆，工程上采取了多種防爆技術(shù)方法,，并通過防爆認(rèn)證，構(gòu)成防爆電氣設(shè)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(shè)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(shù)方法,。本安防爆技術(shù)又具有很多優(yōu)點，如本質(zhì)安全,，結(jié)構(gòu)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(zhì)安全型電氣設(shè)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(shè)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(dǎo)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(zhì)安全防爆型式的設(shè)備內(nèi)部，所有電路都是由在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件(包括正常工作和規(guī)定的故障條件)下,，產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的本質(zhì)安全電路,。它又分為“ia"、“ib"兩個等級,， “ia"等級電氣設(shè)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(zhì)安全型電氣設(shè)備,；“ib"等級電氣設(shè)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(zhì)安全型電氣設(shè)備(參見GB38364標(biāo)準(zhǔn)),。本安防爆形式因?qū)δ芰坑袊?yán)格的限制,，因此只能應(yīng)用于弱電設(shè)備中，設(shè)備其中Ex-ia設(shè)備適用于Ex.Zone 0,、1,、2區(qū)或Ex-ib設(shè)備適用于Ex.Zone 1、2區(qū),。本安防爆設(shè)備可以在帶電情況下進行檢修和校準(zhǔn),，因此尤其適合過程自控系統(tǒng)應(yīng)用。
本安防爆技術(shù)的優(yōu)點和特點使得其在過程自動控制領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用,，本文將以自控系統(tǒng)的本安應(yīng)用作為重點進行討論,。
3. 西門子SIMATIC系統(tǒng)在安全防爆場所的幾種應(yīng)用解決方案
由于近年西門子全集成自動化（TIA）理念在西門子系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用，西門子SIMATIC系統(tǒng)尤其PCS 7系統(tǒng)中增添了許多可供用戶選擇的豐富的安全防爆系統(tǒng)解決方案,，大大加強了其在安全防爆領(lǐng)域的應(yīng)用能力,。而且由于本質(zhì)安全型現(xiàn)場總線PROFIBUS-PA的推廣應(yīng)用，日臻成熟,，為解決傳統(tǒng)的安全防爆系統(tǒng)設(shè)計提供了更靈活,、可靠的解決方案。本文主要介紹以西門子SIMATIC系統(tǒng)為核心構(gòu)架完成一個安全防爆系統(tǒng)的幾種典型解決方案,。
(1)從點對點接線到點對點接線(Point to Point)解決方案
傳統(tǒng)DCS/PLC+安全柵方案,，見圖1所示。這類本安防爆接口以隔離式和齊納式安全柵為代表,。應(yīng)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(nèi)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)的通用I/O卡。這是傳統(tǒng)的本安防爆接口技術(shù),。
(2)本安防爆I/O卡板解決方案
本安防爆I/O卡板解決方案是在DCS／PLC的通用I/O卡板基礎(chǔ)上增加本安電路,，使之成為本安防爆卡板,，可直接與現(xiàn)場兩線制本安儀表相連接，省卻安全柵環(huán)節(jié),，構(gòu)成本安防爆控制系統(tǒng),，見圖2所示。其本質(zhì)與DCS/PLC+安全柵方案相同,，但是減少了安全柵環(huán)節(jié),，節(jié)省了線路連接點，因此能夠降低系統(tǒng)的故障點,。而且這類本安模塊如SIMATIC S7-300系列的本安防爆式Ex I/O卡板SM322,，SM321，SM331,，SM332等,，其防爆等級為Ex-ibIIC，可以掛接Ex.Zone1區(qū)內(nèi)的本安儀表,。由于本安防爆卡板使用了集成安全柵技術(shù),，減少了隔離式和齊納式安全柵的使用，因此結(jié)構(gòu)緊湊,，節(jié)約了空間和費用
3）從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案
即FISCO現(xiàn)場總線解決方案,。Fieldbus Instinsicailly Safe Concept Modem現(xiàn)場總線本質(zhì)安全防爆構(gòu)想模型簡稱FISCO。FISCO使得PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線以本質(zhì)安全方式安裝使用在Ex-區(qū)成為可能,，以經(jīng)濟簡便的方式解決了現(xiàn)場總線的防爆應(yīng)用問題,。FISCO適用于Ex-iaIIC級別的本安防爆方式。PROFIBUS-PA總線既能實現(xiàn)數(shù)字通訊（31.25kbps）,，又可實現(xiàn)對所掛接現(xiàn)場總線儀表的本安供電,。西門子PROFIBUS-PA總線防爆系統(tǒng)一般由DP/PA耦合器/鏈接器，本安配電鏈接模塊,，T型總線接頭、PA總線電纜和本安現(xiàn)場總線儀表構(gòu)成,。Bus to Bus方式的應(yīng)用特點是智能現(xiàn)場總線儀表以總線方式掛接在PROFIBUS-PA上,，經(jīng)過上述產(chǎn)品，仍以現(xiàn)場總線方式接至控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)卡,。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號鏈路用一條雙絞電纜即可構(gòu)成,。
其特點是：直接用于危險區(qū)域中的現(xiàn)場總線不僅節(jié)省了大量的布線成本，而且也節(jié)約了許多傳統(tǒng)方案中必須的I/O 信號的隔離柵,、配電盤和分流器和大量信號電纜,，同時節(jié)約了大量控制箱柜空間。此外,，還可以省去防爆現(xiàn)場元件的機械保護裝置如雙層絕緣,、附加金屬保護網(wǎng)等,，以及在使用非本質(zhì)安全導(dǎo)線時所需要的防爆鋼管。
FISCO本質(zhì)安全現(xiàn)場總線（如PROFIBUS-PA）是最新的本安防爆接口技術(shù)(4)從點對點接線到總線(Point to Bus) 解決方案
即本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案,，產(chǎn)品包括總線式隔離安全柵和本安型的分布式I/O模塊,。其中代表性的是西門子ET200iSP系列本質(zhì)安全分布式I/O。見圖2所示：ET200iSP本身可以安裝應(yīng)用在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,。
與從總線到總線(Bus to Bus) 解決方案相比，其應(yīng)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,，而分布式I/O向上則以經(jīng)本安鏈接器485/iS隔離后的PROFIBUS-DP/iS（1.5Mbps）總線方式接至控制系統(tǒng)通信總線或現(xiàn)場總線網(wǎng)卡。ET200iSP不僅具有安全柵功能,，為現(xiàn)場回路提供本質(zhì)安全防爆,，而且ET200iSP本身還具有很高的防爆安全等級，其I/O模塊,、電源模塊和網(wǎng)關(guān)本身也采用本安防爆（ATEX II 2 G EEx ib IIC T4）,。 因而ET200iSP可以直接安裝在Ex.Zone 1區(qū)，可對其所有電子模塊（包括電源模塊和總線連接模塊）進行帶電熱插拔維護,、操作,。顯然，這種本安防爆解決方案中,，現(xiàn)場儀表仍可使用傳統(tǒng)的4—20mA儀表,。本安防爆遠(yuǎn)程分布式I/O方案是能兼顧FISCO現(xiàn)場總線方式和點對點方式兩類應(yīng)用方案優(yōu)點的一種中間方案，也是本文將詳細(xì)討論的方案,?！?/span>
除ET200iSP外，值得一提的是SIMATIC還有防爆ET200M分布式I/O方案可供用戶選擇,。ET200M如果選用相應(yīng)的防爆結(jié)構(gòu)和S7-300系列的防爆Ex I/O卡板后,，其本身就構(gòu)成無火花型防爆形式，可以直接安裝在危險區(qū),。但ET200M本身的防爆級別要比ET200iSP低,，只能安裝在增安型(Ex e)保護箱中，用于Ex.Zone 2區(qū),。ET200M的數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS-DP,，最高速率可達12 Mbps，相比ET200iSP的1.5Mbps通訊速率要高,。4. 西門子控制系統(tǒng)防爆器件介紹
（1）ET200iSP
SIMATIC ET-200iSP是用于Ex危險區(qū)的分布式I/O系統(tǒng),。使用符合歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)委員會標(biāo)準(zhǔn)防爆等級Ex[ia/ib] IIC T4 的新型PROFIBUS分布式外設(shè)，可以安裝于危險區(qū)域Ex.Zone 1中，連接來自Ex.Zone 0區(qū)的本安信號,。ET-200iSP通過本質(zhì)安全的PROFIBUS-DP/iS總線實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的通訊,，傳輸速率1.5Mbps。• 一個SIMATIC ET-200iSP 站點由一個密封電源,、一個用于連接PROFIBUS-DP 的接口模塊(可擴展32 塊電子模塊),，和一個總線終端電阻模塊組成。而且,，其電源和接口模塊均可進行冗余配置,。
• ET-200iSP的防爆電源是一個隔爆Ex-d的供電模塊，由安全總線底板向各電子模塊供電,。電源模塊本身的供電通過Ex-e端子實現(xiàn),，在危險區(qū)不允許拆開此連接。而且送電電源必須安裝在安全區(qū),。
• 每臺ET-200iSP的 PROFIBUS DP接口模塊最多可連接64個模擬信號或128個數(shù)字信號,。
• ET-200iSP的模塊化結(jié)構(gòu)為用戶提供了最大限度的靈活性，可以連接NAMUR 數(shù)字量輸入,、電磁閥,、模擬量輸入/ 輸出、HART 輸入/ 輸出,、熱電耦以及熱電阻等,。所有電子模塊均具有本安結(jié)構(gòu)，而且在危險1區(qū)可對所有的電子模塊(包括供電及總線連接模塊)帶電進行更換,，即“熱插拔",。
• HART 協(xié)議模板可實現(xiàn)與HART儀表的無縫集成。
• 采用彈簧壓緊或螺釘快速連接現(xiàn)場本安設(shè)備,。
（2） ET200M
在SIMATIC ET 200 產(chǎn)品系列中,， ET 200M 是主要的分布式I/O系統(tǒng)，與SIMATIC PCS7一起用于過程應(yīng)用,，支持在線修改( 使用有源總線模塊設(shè)計),，它可使用豐富的S7-300 I/O 模塊包括S7-300標(biāo)準(zhǔn)信號模塊，冗余信號模塊,，防爆輸入/ 輸出模塊以及符合HART協(xié)議的防爆模擬量輸入和輸出模塊,。每個ET200M接口模塊最多可以連接8 個I/O 模塊。ET 200M 是在PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線上的從站,，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為12 Mbit/s。
• ET200M模塊本身采用無火花型防爆,，即ATEX II 3 G EEx n II A T4,，配合增安型防護箱，可安裝在Ex.Zone 2區(qū)，這已可滿足大部分現(xiàn)場機柜安裝地點的防爆要求,，其連接的本安傳感器/執(zhí)行器可以用于Ex.Zone 1區(qū),。
• ET 200M可選用有源總線模板進行配置。在非防爆環(huán)境中,，允許帶電熱插拔操作,，但在危險區(qū)使用時不能進行熱插拔維護。
（3） 本安防爆I/O卡板
表1：SIMATIC S7-300系列的隔離式Ex I/O卡板
（4） RS485/IS耦合器
由于ET200iSP直接安裝在Ex.Zone 1區(qū),，進行本安操作需要本安PROFIBUS-DP總線,。RS485-IS耦合器是一個“現(xiàn)場總線隔離器"，非本安的PROFIBUS-DP總線通過RS485-IS耦合器后成為本安的PROFIBUS-DP/iS總線,。RS485/IS耦合器對總線進行隔離并限制其能量,，使之處于安全范圍之內(nèi)，起到了總線中繼和防爆隔離的作用,。在危險區(qū)內(nèi),，本安的PROFIBUS-DP/iS可以帶電進行插接操作。需要注意RS485-IS耦合器本身必須安裝在安全區(qū)內(nèi),。
（5） DP/PA耦合器/鏈接器
DP/PA耦合器/鏈接器實現(xiàn)PROFIBUS-DP到本安現(xiàn)場總線PROFIBUS-PA的轉(zhuǎn)換和連接,。PA本安現(xiàn)場總線還可以實現(xiàn)對本安現(xiàn)場總線儀表的饋電。
DP/PA耦合器（Coupler）的主要作用：
• 實現(xiàn)物理層的轉(zhuǎn)換,，并通過總線向現(xiàn)場儀表供電
• 實現(xiàn)安全柵隔離功能,，使危險區(qū)與安全區(qū)電氣隔離。
DP/PA鏈接器（bbbb）的主要作用：
• 完成過程儀表與主控制器之間的數(shù)據(jù)通訊工作,，它肩負(fù)著主設(shè)備和從設(shè)備的雙重身份,。作為主設(shè)備，它控制著內(nèi)部總線的正常工作,；作為從設(shè)備,，它又擔(dān)負(fù)著與上一層總線的通訊任務(wù)。
• DP/PA 鏈接器是一種非常簡單的網(wǎng)關(guān),，它可互連PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA,，但去耦傳輸速率。這就意味著PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA可以組合使用,，而不會影響PROFIBUS -DP的性能,。
（6） 本安操作員面板
如果防爆現(xiàn)場需要更多的信息顯示和操作，在控制系統(tǒng)中設(shè)計選擇防爆操作界面是非常必要的,。安全防爆操作屏由于功率較大,，大多采用隔爆形式實現(xiàn)防爆。
5. 西門子本安防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用
前文所述的4種本安防爆控制系統(tǒng)解決方案有各自的特點和應(yīng)用場合,，在實踐中均有很多應(yīng)用實例,。而且SIMATIC系統(tǒng)還提供了很大的靈活性,，用戶可以很方便的利用一種解決方案組成自己的本安防爆控制系統(tǒng)。因為西門子的集成一體化思想在SIMATIC產(chǎn)品上的充分體現(xiàn),，我們可以通過一條PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線將幾種防爆解決方案統(tǒng)一在一個防爆控制系統(tǒng)中,，如圖5所示，甚至將防爆應(yīng)用和非防爆應(yīng)用統(tǒng)一在一個控制系統(tǒng)中,。這常見于西門子PCS7系統(tǒng)中多區(qū)域,、多場所、多站點的應(yīng)用,。
因此用戶可以根據(jù)自己生產(chǎn)的特點,，充分的利用不同防爆解決方案的特點，靈活組合幾種防爆解決方案組成自己的本安防爆控制系統(tǒng),。圖5是西門子SIMATIC本安防爆系統(tǒng)的綜合應(yīng)用,。