Барьеры искрозащиты для управления активными дискретными сигналами

В публикации речь пойдет о барьерах искрозащиты KA5311Ex, KA5312Ex, KA5314Ex, предназначенных для управления активными дискретными сигналами в различных системах управления технологическими процессами, расположенных во взрывоопасных зонах.

Барьеры искрозащиты КА531ХEx применяются в системах управления, контроля и телемеханики на объектах с взрывоопасными зонами в нефтегазовой, химической, лакокрасочной и в иных отраслях промышленности.

Внешний вид барьеров искробезопасности КА531ХEx приведен на рис. 1. На передней панели барьеров размещены индикаторы питания «ПИТАНИЕ», информирующие о включенном питании барьеров, и индикаторы «ВЫХОД», сообщающие о подаче напряжения на выходные контакты конкретного канала барьера.

Рис. 1. Внешний вид барьеров искрозащиты KA5311Ex, KA5312Ex, KA5314Ex

Барьеры искрозащиты КА531ХEx предназначены для решения двух основных задач:

• Управление исполнительными механизмами во взрывоопасных зонах с помощью активного дискретного сигнала. Это могут быть электромагнитные и электропневматические клапаны, сигнальные светодиоды, аварийные звуковые сигнализаторы и другие устройства, используемые в системах управления технологическими процессами.
• Питание различного измерительного или управляющего оборудования, расположенного во взрывоопасных зонах.

При решении этих задач барьеры КА531ХEx выступают в качестве управляемых источников питания.

Принцип работы барьера для решения этих задач иллюстрирует упрощенная схема на рис. 2.

Рис. 2. Принцип работы барьера КА531ХEx

На выходе барьера стоит искрозащищенный источник, который управляется внешним дискретным сигналом из безопасной зоны. Таким образом, выходной сигнал является активным — внешний дополнительный источник не требуется.

Если барьер используется просто как неуправляемый источник питания, то можно использовать второй вариант схемы, показанный на рис. 3. В этом случае подача питания на барьер означает одновременно и подачу питания на нагрузку в опасной зоне. Управляющие цепи в безопасной зоне подключены постоянно.

Рис. 3. Использование барьера КА531ХEx как неуправляемого источника питания

Для повышения нагрузочной способности допускается параллельное включение выходов каналов. При больших нагрузках в барьерах реализована функция ограничения выходного тока.

Барьеры имеют гальваническую изоляцию входных и выходных сигнальных цепей между собой и от источника цепей питания барьера.
Гальваническая изоляция между отдельными входами в многоканальных барьерах отсутствует.

Барьеры КА531ХEx имеют взрывозащиту вида «i» — искробезопасная электрическая цепь, уровень взрывозащиты — «ia», маркировка взрывозащиты вида «i» — (Ex ia Ga) IIC. Данная маркировка означает, что потребители сигналов могут располагаться во взрывоопасных зонах 0, 1 и 2.

Барьеры КА531ХEx также имеют взрывозащиту вида «n» и маркировку 2Ex nA (ia Ga) IIC Т4 Gc X, означающую, что они относятся к неискрящему оборудованию и сами могут располагаться в зоне 2. Обратим внимание, что для обеспечения данного вида взрывозащиты nA барьеры КА531ХEx должны быть размещены в оболочке со степенью защиты не хуже IP54 по ГОСТ 14254.

Барьеры из серии КА531ХEx в зависимости от модификации имеют один (КА5311Ex), два (КА5312Ex) или четыре (КА5314Ex) канала.

Барьеры имеют аналогичные структурные схемы, поэтому для иллюстрации приведем только схему двухканального барьера КА5312Ex на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема барьеров КА5312Ex

Барьеры запитываются напряжением постоянного тока в диапазоне 20,5–30 В. Данное напряжение подается на основной импульсный стабилизатор напряжения, который формирует внутреннее базовое напряжение питания (номинальное напряжение) барьера 24 В.

Выходное напряжение формируется модулями взрывозащиты. В цепях искрозащиты предусмотрены ограничивающие резисторы, которые определяют внутреннее сопротивление выходов и, соответственно, снижают напряжение на выходе барьера при больших нагрузках.

На вход барьеров из взрывобезопасной зоны поступают внешние активные дискретные сигналы управления в диапазоне 0–30 В. Уровень логического “0” устанавливается для диапазона входного сигнала 0–2 В, уровень логической «1» для диапазона 6–30 В.

Входными сигналами управления пользователь может включать или отключать напряжение на выходе любого канала.

В ряде модификаций барьеров КА531ХEx каналы работают независимо, и при одновременной подаче нескольких управляющих сигналов на разные входы включаются соответствующие выходы. Эти модификации используют при необходимости подключения каналов параллельно.

У барьера КА5312Ex есть две модификации КА5312Ex-01 и КА5312Ex-11, у которых присутствует блок логики, позволяющий барьеру работать в режиме связанного управления выходами.

Режим связанного управления выходами необходим для корректной работы с устройствами, не допускающими одновременную подачу на них двух противоположных сигналов (например, реверсивные клапаны). При подключении подобных устройств к выходам барьера необходимо, чтобы при любой комбинации входных сигналов активным был только один из его выходов.

Связанное управление выходами у барьера КА5312Ex означает, что при одновременной подаче двух сигналов управления на оба входа барьера будет включен только выход 2, первый выход останется выключенным (рис. 5).

Рис. 5. Одновременная подача двух сигналов управления на оба входа барьера КА5312Ex

Рассмотрим на рис. 6 выходные вольт-амперные характеристики для двух вариантов подключения выходов барьера КА5312Ex: подключения нагрузки только на один выход и подключение нагрузки параллельно на два выхода. Эти характеристики имеют две особенности.

Во-первых, максимальный выходной ток ограничивается: в первом случае (зеленая линия) значением 46 мА, во втором случае (синяя линия) вдвое большим значением 92 мА. Данное ограничение необходимо для исключения передачи во взрывоопасные зоны потенциально опасных токов при больших нагрузках, в частности, при коротких замыканиях.

Во-вторых, две характеристики имеют существенный наклон. Наклон графиков характеризует выходное сопротивление источника напряжения, которое у барьеров определяется номинальным значением сопротивления ограничивающих резисторов: чем меньше значение Rвых., тем меньше наклон вольт-амперной характеристики и тем меньше зависимость выходного напряжения от тока нагрузки.

Рассмотрим, что может дать параллельное подключение выходов и что следует дополнительно учитывать при таком подключении.

Случай 1. Нагрузка невелика, и требуется ток меньше 46 мА (например, 35 мА). Тогда можно использовать обе схемы подключения (точки А и В на рис. 6), но напряжение на нагрузке в случае одноканальной схемы (точка B) будет меньше, чем в случае двухканальной (точка А).

Рис. 6. Выходные вольт-амперные характеристики барьера искрозащиты KA5312Ex

Случай 2. Для питания нагрузки требуется ток больше 46 мА (например, 70 мА). Тогда приходится использовать только вторую схему подключения с двумя параллельными выходами (точка С). Нагрузочная способность барьера в этом случае будет в два раза выше.

Обратим внимание, что при параллельном подключении выходов меняются основные параметры искровзрывозащиты I₀ и Р₀, а также допустимые параметры внешних цепей С₀ и L₀ для разных зон размещения.

Значения максимально допустимых параметров внешних цепей для обеих схем подключения приведены в таблице.

Из таблицы следует, что при использовании первой схемы подключения (точка В) можно работать во всех трех зонах IIA, IIВ и IIC, а при использовании второй схемы (точки А и С) в зоне IIC работать уже не допускается.

Схема подключения барьеров при параллельном соединении выходов приведена на рис. 7. Напомним, что для параллельного подключения выходов нельзя использовать модификации барьеров КА5312Ex-01 и КА5312Ex-11, в которых реализована функция связанного управления.

Рис. 7. Типовая схема подключения барьера КА5312Ex-N0 (выходы параллельны)

Барьеры КА531ХEx рассчитаны для монтажа на DIN-рейку типа NS 35/7,5/15 по EN 50022 внутри шкафов автоматики и в шкафах низковольтных комплектных устройств.

При вертикальном расположении корпусов барьеров допускается плотный монтаж без зазоров между корпусами.

Горизонтальную компоновку допускается использовать только с зазором между корпусами не менее 10 мм при температуре окружающего воздуха –40… +55 °C (не более) либо при иных условиях с принудительным охлаждением.

Подключение соединительных проводов к барьерам происходит с помощью разъёмных винтовых клеммных соединителей. Использование данного способа подключения обеспечивает максимально простой монтаж и демонтаж барьеров.

Питание на барьеры может подаваться как через разъемные винтовые клеммы, так и через специально предназначенные шинные соединители. Питание группы барьеров (до пяти штук) рациональнее организовать по шине. В этом случае следует использовать модификации с шинами питания.