過程控制與自動(dòng)化儀表——安全柵-zy

1、過程控制與自動(dòng)化儀表過程控制與自動(dòng)化儀表 主講教師：趙 躍西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院信息與控制工程系信息與控制工程系安全柵（又稱防爆柵）是防止危險(xiǎn)電能從控制安全柵（又稱防爆柵）是防止危險(xiǎn)電能從控制系統(tǒng)信號(hào)線進(jìn)入現(xiàn)場儀表的安全保護(hù)器。系統(tǒng)信號(hào)線進(jìn)入現(xiàn)場儀表的安全保護(hù)器。 1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點(diǎn)燃后燃燒將在整個(gè)范圍內(nèi)傳播的混和燃物質(zhì)與空氣混合，點(diǎn)燃后燃燒將在整個(gè)范圍內(nèi)傳播的混和物，稱為物，稱為爆炸性混合物爆炸性混合物。含有爆炸性混合

2、物的環(huán)境，稱為含有爆炸性混合物的環(huán)境，稱為爆炸性環(huán)境爆炸性環(huán)境。 按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時(shí)間和危險(xiǎn)程度，按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時(shí)間和危險(xiǎn)程度，又可將危險(xiǎn)場所劃分成不同級(jí)別的危險(xiǎn)區(qū)。又可將危險(xiǎn)場所劃分成不同級(jí)別的危險(xiǎn)區(qū)。 第三章第三章 3.33.3安全柵安全柵 對于對于類電氣設(shè)備，電路電壓限制在類電氣設(shè)備，電路電壓限制在30VDC時(shí)，各時(shí)，各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級(jí)。種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級(jí)。爆炸性混合物的最小引爆電流爆炸性混合物的最小引爆電流級(jí)級(jí) 別別最小引爆電流（最小引爆電流（mA）爆炸性混合物種類爆炸性混合物種類 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇

3、、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 7070i120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i7070氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦?fàn)t煤氣等氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦?fàn)t煤氣等不同的危險(xiǎn)等級(jí)對電氣設(shè)備的防爆要求不同，不同的危險(xiǎn)等級(jí)對電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬煤礦井下用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性氣體的類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬工廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬用電氣設(shè)備屬類設(shè)備。類設(shè)備。 2 安全火花防爆系統(tǒng)安全火花防爆系統(tǒng) 電動(dòng)儀表存在電路打火的可能

4、。如果從電路設(shè)計(jì)電動(dòng)儀表存在電路打火的可能。如果從電路設(shè)計(jì)就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點(diǎn)火種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點(diǎn)火能量之下，則此儀表稱為能量之下，則此儀表稱為安全火花防爆儀表安全火花防爆儀表。 安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危險(xiǎn)火花，對其它儀表通過信號(hào)線傳入的能量是否安全險(xiǎn)火花，對其它儀表通過信號(hào)線傳入的能量是否安全則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置安全柵，防

5、止危險(xiǎn)能量進(jìn)入，則完全做到了安全火花安全柵，防止危險(xiǎn)能量進(jìn)入，則完全做到了安全火花防爆。防爆。構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素：構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素： 在危險(xiǎn)現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表在危險(xiǎn)現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表（本安儀表）。（本安儀表）。 現(xiàn)場儀表與危險(xiǎn)場所之間的電路連接必須經(jīng)過安全現(xiàn)場儀表與危險(xiǎn)場所之間的電路連接必須經(jīng)過安全柵（防爆柵）。柵（防爆柵）?；驹恚夯驹恚汉唵锡R納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進(jìn)簡單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進(jìn)行限壓、用固定電阻進(jìn)行限流行限壓、用固定電阻進(jìn)行限流 。3.5.1 齊納式安全柵齊納式安全柵 安全

6、柵的種類很多，有電阻式安全柵、中繼放大式安全柵、齊安全柵的種類很多，有電阻式安全柵、中繼放大式安全柵、齊納式安全柵、光電隔離式安全柵、變壓器隔離式安全柵等。納式安全柵、光電隔離式安全柵、變壓器隔離式安全柵等。 當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓Vi在正常范圍（在正常范圍（24V）內(nèi)時(shí)，齊納二極管）內(nèi)時(shí)，齊納二極管VD不導(dǎo)通；不導(dǎo)通；當(dāng)電壓高于當(dāng)電壓高于24V并達(dá)到齊納二極管的擊穿電壓（約并達(dá)到齊納二極管的擊穿電壓（約28V）時(shí)，齊納二）時(shí)，齊納二極管導(dǎo)通，在將電壓鉗制在安全值以下的同時(shí)，安全側(cè)電流急劇增大，極管導(dǎo)通，在將電壓鉗制在安全值以下的同時(shí)，安全側(cè)電流急劇增大，使快速熔斷絲使快速熔斷絲FU很快熔斷，從

7、而將可能造成事故的高壓與危險(xiǎn)現(xiàn)場很快熔斷，從而將可能造成事故的高壓與危險(xiǎn)現(xiàn)場隔斷。固定電阻隔斷。固定電阻R的作用是限制流往現(xiàn)場的電流。的作用是限制流往現(xiàn)場的電流。 兩點(diǎn)不足：兩點(diǎn)不足： 一、固定的限流電阻其大小難以選擇，選小了起一、固定的限流電阻其大小難以選擇，選小了起不到很好的限流作用，選大了又影響儀表的恒流特不到很好的限流作用，選大了又影響儀表的恒流特性，理想的限流電阻應(yīng)該是可變的，即電流在安全性，理想的限流電阻應(yīng)該是可變的，即電流在安全范圍內(nèi)其阻值要足夠小，而當(dāng)電流超出安全范圍時(shí)范圍內(nèi)其阻值要足夠小，而當(dāng)電流超出安全范圍時(shí)其電阻要足夠大；其電阻要足夠大； 二、接地不合理，通常一個(gè)信號(hào)回路

8、只允許一點(diǎn)二、接地不合理，通常一個(gè)信號(hào)回路只允許一點(diǎn)接地，若有兩點(diǎn)以上接地會(huì)造成信號(hào)通過大地短路接地，若有兩點(diǎn)以上接地會(huì)造成信號(hào)通過大地短路或形成干擾?；蛐纬筛蓴_。 （2）由）由VD1VD4和和F1 F2組成限壓電路。背組成限壓電路。背靠背的齊納管中點(diǎn)接地，改直接接地為保護(hù)時(shí)接地?？勘车凝R納管中點(diǎn)接地，改直接接地為保護(hù)時(shí)接地。（1）用晶體管限流電路取代固定電阻。）用晶體管限流電路取代固定電阻。VT3工工作于零偏壓，作為恒流源向作于零偏壓，作為恒流源向VT1提供足夠的基極電流，提供足夠的基極電流，保證信號(hào)在保證信號(hào)在420mA范圍內(nèi)范圍內(nèi)VT1處于飽和狀態(tài)。處于飽和狀態(tài)。 改進(jìn)后的齊納式安全柵改

9、進(jìn)后的齊納式安全柵正常時(shí)正常時(shí)VT1飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通不通過流時(shí)過流時(shí)VR 1 0.6V VT2導(dǎo)通，分流導(dǎo)通，分流VT3的電流的電流 VT1退飽和退飽和 Vce1呈現(xiàn)較高的電阻呈現(xiàn)較高的電阻v要求要求快速熔快速熔斷絲熔斷絲熔斷時(shí)間斷時(shí)間 0.6VVT3導(dǎo)通，分流導(dǎo)通，分流 VT4退飽和退飽和 Vce4 限流限流 限流特性限流特性限壓特性限壓特性（3）調(diào)制解調(diào)電路）調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制：調(diào)制： VD13、VD14交替工作交替工作送往送往變變送器的送器的DC420mA 交替通過交替通過T2原邊原邊解調(diào)：解調(diào)： T2副邊副邊1：1耦合耦合復(fù)合管復(fù)合管VT7VT1

10、0整流整流 -2 執(zhí)行端安全柵執(zhí)行端安全柵 用于控制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場執(zhí)行器之間，是用于控制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場執(zhí)行器之間，是420mA調(diào)調(diào)節(jié)信號(hào)送往現(xiàn)場的安檢通道。節(jié)信號(hào)送往現(xiàn)場的安檢通道。與檢測端安全柵的區(qū)別：與檢測端安全柵的區(qū)別： 信號(hào)傳輸方向相反，信號(hào)傳輸方向相反， 不需給現(xiàn)場供電不需給現(xiàn)場供電。電路原理基本相似。電路原理基本相似。 1）可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一個(gè)地）可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一個(gè)地方接地，使用方便，通用性強(qiáng)；方接地，使用方便，通用性強(qiáng)； 2）隔離式安全柵的電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均）隔離式安全柵的電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均可通過變壓器耦合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入、輸出完全隔可通過變壓器耦合，