Информация Системы искробезопасного удаленного ввода/вывода IS Remote IO
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.
Казанцев Андрей
