3.1. Искробезопасная электрическая цепь

Защита вида «искробезопасная электрическая цепь» является самой рас­пространенной в промышленных контроллерах [515]. Искробезопасной называ­ют электрическую цепь, в которой любое искрение не вызывает воспламене­ние; более точно, вероятность того, что воспламенение возникнет, составляет менее 0,001. Тепловое воздействие такой цепи также не способно воспламе­нить взрывоопасную смесь.

Для того чтобы электрическая цепь была искробезопасной, необходимо удовлетворить множеству требований стандарта ГОСТ Р 51330.10 [518], однако смысл этих требований сводится к ограничению энергии и мощности искры до безопасных значений. Возможность защиты от взрыва таким способом основана на том, что воспламенение и взрыв происходят только при условии, если энер­гия искры достаточна для инициализации цепной реакция горения, а мощность искры достаточна для компенсации утечки тепла из ядра пламени. Величи­на энергии воспламенения колеблется от 60 мкДж для водородно-воздушной смеси до 8...50 мДж для зерновой пыли [514].

Для ограничения энергии искры W нужно ограничить ток, напряжение и продолжительность искрения, поскольку

u(t) — напряжение между искрящими проводниками, i(t) — ток искры, t — время, Т — продолжительность искрения. Ограничение тока можно осуще­ствить с помощью резисторов, ограничение напряжения — с помощью стабилитронов, ограничение длительности искрения — с помощью постоянной времени RC или L/R, где R — сопротивление, С — емкость, L — индуктивность.

Для описания требований к искробезопасным цепям стандарт [518] вводит понятие неповреждаемого элемента (элемент, вероятностью повреждения кото­рого можно пренебречь при анализе искробезопасности), учитываемого повре­ждения (допустимое количество которых определяют уровень искробезопасно­сти цепи) и неучитываемого повреждения (считается, что такое повреждение всегда имеет место). Например, к неучитываемым повреждениям относятся повреждения зазоров шириной менее 0,5 мм, т.е. для оценки уровня искробез­опасности следует считать, что они повреждены всегда. К учитываемым отно­сится, например, повреждение резистора, если он нагружен не более чем на 2/3 от номинального тока и напряжения. Если нагрузка превышает это значение, то считается, что резистор уже поврежден.

Стандарт [518] вводит три уровня безопасности электрической цепи: ia, ib, гс. Искробезопасная цепь уровня »с не должна вызывать воспламенение, если в ней произошли некоторые или все неучитываемые повреждения. Цепь уровня ib не должна воспламенять взрывоопасную смесь, если в ней произошли все неучитываемые повреждения и одно учитываемое. Цепь уровня ia не должна воспламенять взрывоопасную смесь, если в ней произошли одновременно все неучитываемые повреждения и одно или два учитываемых. Технически повы­шение уровня искробезопасности достигается резервированием или применени­ем неповреждаемых (в смысле ГОСТ 51330.10) элементов.

Устройства (контроллеры, модули ввода-вывода, датчики, исполнитель­ные механизмы), применяемые на взрывоопасных объектах, делятся на три больших класса:

- устройства, являющиеся полностью искробезопасными;

- устройства, относящиеся к «связанному оборудованию», которые содержат как искробезопасные, так и искроопасные цепи, причем искроопасные цепи не могут влиять на искробезопасные;

- обычные устройства, применяемые совместно с барьерами искробезопас­ности.

Связанное оборудование обеспечивает передачу информации между взры­воопасной и безопасной зонами. Например, если преобразователь интерфейсов RS-232 и RS-485 содержит искроопасные цепи интерфейса RS-232 и искробез­опасные цепи интерфейса RS-485, между которыми существует неповреждаемое (в смысле ГОСТ 51330.10) разделение, то он относится к связанному оборудо­ванию. Типичным примером связанного оборудования являются барьеры ис­кробезопасности [518]. В маркировке связанного оборудования присутствуют квадратные скобки, например [ExiaJIIC. В маркировке искробезопасного обо­рудования их нет, например ExiaIICT6. Подробнее о маркировке взрывозащи-щенных* изделий и выборе аппаратных средств для взрывоопасных производ­ственных объектов см. п. 7.5 и [195].

Рис. 7.1.- Пример расположения модулей ввода-вывода серии NL-Ex [515] во взрыво­опасной зоне

Искробезопасные устройства могут быть расположены как внутри взрыво­опасной зоны, так и вне ее (рис. 7.1). Связанное оборудование может распо­лагаться только вне взрывоопасной зоны, но его искробезопасные цепи могут идти внутрь взрывоопасной зоны (на рис. 7.1 искробезопасными являются це­пи интерфейса RS-485 и питания 12 В, 0,9 А).

При проектировании контроллеров с искробезопасными цепями принимают меры, чтобы любые неисправности в устройстве не могли вызвать искру или нагрев поверхности до опасной температуры. Однако в результате монтажа си­стемы автоматизации появляются дополнительные емкости и индуктивности кабелей, а также входные емкости и индуктивности других устройств, кото­рые, суммируясь, могут превысить допустимые значения. Поэтому на корпусе искробезопасного оборудования указывают не только его собственные парамет­ры, но и допустимые параметры подключаемых цепей. К таким параметрам относятся следующие [518]:

Um — максимальное напряжение на искроопасных зажимах связанного электрооборудования, которое еще не приводит к нарушению искробезопас­ности;

Ui — максимальное входное напряжение на клеммах искробезопасных це­пей, которое еще не приводит к нарушению искробезопасности;

Uq — максимальное выходное напряжение, которое может появиться на зажимах искробезопасных цепей в случае приложения к нему максимальных значений Um и

Ii — максимальный входной ток, который может протекать в соединитель­ных цепях между искробезопасными устройствами без нарушения искробез­опасности;

/о — максимальный выходной ток, который может протекать в соедини­тельных цепях между искробезопасными устройствами в случае приложения максимальных напряжений Um и Ui\

Pi — максимальная входная мощность искробезопасной цепи, которая мо­жет рассеиваться в электрооборудовании без нарушения его искробезопасности;

Р0 — максимальная электрическая мощность на выходе искробезопасной цепи устройства;

Со — максимальное значение емкости, которое может быть подключено к клеммам устройства без нарушения его искробезопасности;

Ci — суммарная эквивалентная внутренняя емкость устройства, которая может оказаться подключенной к его клеммам;

L0 — максимальное значение индуктивности, которое может быть подклю­чено к клеммам устройства без нарушения его искробезопасности;

Li — суммарная эквивалентная внутренняя индуктивность устройства, ко­торая может оказаться подключенной к его клеммам;

Lq/Ro — максимальное отношение индуктивности к сопротивлению внеш­ней электрической цепи, которое не нарушает его искробезопасность;

Li/Ri — максимальное отношение внутренней индуктивности к внутренне­му сопротивлению, которое может иметь место на его клеммах.

Приведенные условные обозначения являются стандартными и должны быть указаны на всех видах искробезопасного оборудования.

В случае переменного напряжения в приведенных определениях везде по­нимается его амплитудное значение, за исключением Um, которое является действующим.