Барьеры искрозащиты КA5003Ex и KA5004Ex для сигналов температурных датчиков и потенциометров 

В статье представлены барьеры искрозащиты КA5003Ex и KA5004Ex российского разработчика и производителя НПФ «КонтрАвт». Барьеры применяются для преобразования и разветвления сигналов термопар, термометров сопротивления и потенциометров, расположенных во взрывоопасной зоне, и их воспроизведения в виде унифицированных токовых сигналов 4…20 мА во взрывобезопасной зоне.

НПФ «КонтрАвт», г. Нижний Новгород

скачать PDF

Барьеры искрозащиты

Реализация взрывозащиты во взрывоопасных зонах и за их пределами – актуальная потребность на предприятиях нефтегазового сектора. Автоматизация взрывоопасных производств требует в том числе обеспечения искробезопасности электрических цепей с помощью специальных устройств – барьеров искрозащиты.

Задача этих устройств – ограничить ток и напряжение в электрических цепях и тем самым исключить возможность воспламенения взрывоопасной среды, а также измерить, преобразовать и передать электрические силовые и информационные сигналы во взрывоопасной зо­не и вне ее.

Предприятия нефтегазового сектора уже более 8 лет применяют для решения этих задач активные барьеры искрозащиты серии KA5000Ex от научно-производственной фирмы «КонтрАвт» – нижегородского разработчика и производителя средств и систем автоматизации и управления технологическими процессами.

Серия активных барьеров искрозащиты KA5000Ex включает в се­бя более 17 видов барьеров (общее число модификаций при этом – более 60), разделенных на 4 группы:

- приемники аналоговых сигналов из взрывоопасной зоны;
- передатчики аналоговых сигналов во взрывоопасную зону;
- приемники дискретных сигналов из взрывоопасной зоны;
- управляемые источники питания (передатчики активных дискретных сигналов во взрывоопасную зону).

На барьеры KA5000Ex получены сертификаты соответствия требованиям технического регламента Таможенного союза «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» (ТР ТС 012/2011) и уровня полноты безопасности 2 (SIL2) и 3 (SIL3).

Барьеры имеют два ви­да взрывозащиты:
- взрывозащита вида «i» – «искробезопасная цепь». В случае появления искры в приборе ее мощности будет недостаточно для произведения взрыва. Уровень взрывозащиты – «ia». Маркировка взрывозащиты ви­да «iа» – [Ex ia Ga] IIC;
- взрывозащита вида «n» – «неискрящее электроборудование». В барьерах конструктивно отсутствуют искрящие элементы и нагревающиеся поверхности. Барьеры могут располагаться в зо­не 2 во внешней оболочке со степенью защиты не ни­же IP54. Маркировка взрывозащиты ви­да «n» – 2Ex nA IIC Т4 Gc X.

Барьеры искрозащиты КА5000Ex имеют высокий уровень метрологических характеристик:
- класс точности 0,1;
- широкий диапазон температур эксплуатации (–40…+70 °C);
- отличную температурную стабильность преобразования (0,025 %/градус);
- высокую степень устойчивости к воздействию электромагнитных помех.

Рассмотрим далее первую подгруппу – барьеры искрозащиты KA5003Ex и KA5004Ex для работы с сигналами температурных датчиков и потенциометров.

Назначение барьеров искрозащиты KA5003Ex и KA5004Ex

Итак, барьеры KA5003Ex и KA5004Ex предназначены для работы с сигналами термопар, термометров сопротивления, потенциометров и потенциометрических датчиков. Кроме то­го, они могут измерять напряжение –75…+75 мВ и сопротивление резисторов в диапазоне 0…4800 Ом.

Оба барьера являются одноканальными по входу. Они принимают на один универсальный вход любой тип этих сигналов от датчиков, расположенных во взрывоопасной зо­не, и преобразуют их в унифицированные токовые сигналы 4…20 мА безопасной зоны.

Подключение датчиков к барьерам возможно по трехпроводной или четырехпроводной схеме. Если возникает необходимость применения двухпроводной схемы, то при конфигурировании барьера пользователь выбирает один из этих двух вариантов, а на клеммах прибора устанавливает соответствующие перемычки.

Отметим, что барьер КА5004Ех имеет только один активный токовый выход 4…20 мА, а барьер ­КА5003Ех имеет два таких выхода. Таким образом, барьер КА5003Ех является разветвителем измеренного сигнала «1 в 2». Это первое ключевое отличие между двумя моделями барьеров (рис. 1).

Рис. 1. Схемы барьеров искрозащиты: а – KA5003Ex; б – KA5004Ex 

Параметрическая сигнализация

Оба барьера искрозащиты, могут выполнять функцию компаратора для контроля выхода измеренного сигнала за допустимые пределы. Для этого в некоторых модификациях этих барьеров в качестве опции реализована параметрическая сигнализация. Возможные функции компаратора: «Больше», «Меньше», «В интервале», «Вне интервала» (табл. 1).

Таблица 1. Функции компараторов для параметрической сигнализации

Функции сигнализации реализуются программно встроенным компаратором. Состояние компаратора можно считать по интерфейсам USB и (или) RS‑485.

Если необходимо сформировать внешний сигнал сигнализации, то это можно сделать несколькими путями:
- вариант 1 – использовать модификацию барьера со специальным штатным выходом СИГНАЛИЗАЦИЯ на оптореле. Такие модификации есть только у барьера KA5004Ex (табл. 2), а у барьера KA5003Ex нет. Это второе ключевое различие между моделями барьеров;
- вариант 2 – подать сигнал компаратора на любой токовый выход;
- вариант 3 – подать сигнал компаратора на отдельный выход АВАРИЯ на ши­не (для модификаций, имеющих шинный соединитель).

Варианты 2 и 3 реализуются путем соответствующего конфигурирования барьера. В этом случае штатное применение указанных выходов становится недоступным.

Таким образом, барьер ­КА5003Ех (модификации, имеющие ши­ну) может совместить в се­бе функции разветвителя сигнала «1 в 2» и сигнализатора по уровню измеренного параметра с помощью выхода АВАРИЯ.

Дополнительно для функций параметрической сигнализации могут быть заданы задержка времени срабатывания (то есть времени, в течение которого сохраняется условие срабатывания сигнализации, прежде чем она сработает) и режим отложенной сигнализации при включении. В режиме отложенной сигнализации игнорируется первое условие срабатывания сигнализации после включения питания. Это позволяет исключить ненужное срабатывание сигнализации в процессе установления режимов работы оборудования после включения питания.

Интерфейсы

Во всех модификациях барьеров КА5003Ех и КА5004Ех присутствует интерфейс USB для конфигурирования, обмена данными и управления барьерами по се­ти. Некоторые модификации (которые можно найти в табл. 2) дополнительно имеют интерфейс RS‑485 с протоколом Modbus RTU. С помощью этого интерфейса можно организовать обмен данными между прибором и контроллерами по се­ти, а также осуществлять дистанционное управление выходами прибора. Такая возможность позволяет использовать барьер искрозащиты в качестве модуля ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов. Заметим, что у модификаций барьеров KA5003Ex и KA5004Ex с поддержкой интерфейса RS‑485 этот интерфейс подключается по шине.

Шинный соединитель

Как уже упоминалось, в некоторых модификациях обеих моделей барьеров (табл. 2) присутствует шинный соединитель, позволяющий иметь на ши­не отдельный выход АВАРИЯ и подключать по ней интерфейс RS‑485. Кроме то­го, наличие шинного соединителя позволяет организовать питание 24 В группы барьеров. Если на одной DIN-рейке рядом размещают много приборов, то из соображений удобства их питание рекомендуется организовать именно по шине.

Таблица 2. Все модификации барьеров искрозащиты KA5003Ex и KA5004Ex

Возможны два варианта организации такого питания группы барьеров:
- питание подается на клеммы одного барьера, далее через него питание поступает на ши­ну и, соответственно, на другие барьеры. Таким способом можно запитать группу максимум из 5 барьеров;
- питание можно подать непосредственно на шину с помощью разъемного клеммного соединителя (не входит в комплект поставки барьеров и приобретается отдельно). Так можно запитать до 30 барьеров любых модификаций.

Обнаружение аварийных ситуаций

Оба барьера позволяют обнаруживать различные аварийные ситуации: выход измеренного сигнала за допустимый диапазон, обрыв датчика, целостность параметров в энергонезависимой памяти и др. О возникновении аварийной ситуации можно визуально судить по миганию светодиодного индикатора ПИТ/АВАР на передней панели барьера. Кроме то­го, в этом случае формируется аварийный уровень токового выходного сигнала, который может быть зафиксирован измерительной системой потребителя сигнала.

Модификации барьеров с шинным соединителем имеют дополнительный отдельный выход АВАРИЯ на оптотранзисторе. На этот выход можно вывести обобщенный сигнал АВАРИЯ, который срабатывает при возникновении аварийной ситуации. Параметры аварийной сигнализации конфигурируются пользователем при настройке прибора.

Гальваническая развязка

Барьеры являются активными, поэтому входные и выходные це­пи гальванически развязаны между собой и цепями питания. У барьера KA5003Ex два токовых выхода дополнительно изолированы между собой. Электрическая прочность изоляции ~1500 В, 50 Гц. Интерфейс RS‑485, присутствующий в некоторых модификациях барьеров (табл. 2), также гальванически изолирован от остальных цепей.

Конфигурирование

Барьеры является конфигурируемыми устройствами, то есть многие функции и параметры барьеров можно настроить под конкретную задачу.

Конфигурирование выполняется ли­бо по USB-интерфейсу, ли­бо по интерфейсу RS‑485 с помощью специального сервисного программного обеспечения SetMaker. Данное ПО позволяет не только настроить барьер (выбрать тип и границы диапазона преобразования, функции сигнализации, задать пороги ее срабатывания, сформировать аварийные уровни выходного токового сигнала), но и быстро скопировать сохраненную конфигурацию в другие приборы, тем самым ускорив их настройку.

Узкий корпус

Барьеры искрозащиты ­КА5003Ех и ­КА5004Ех имеют малые габариты, прежде всего малую ширину корпуса: 12,5 или 17,5 мм. Концентрация сигналов в шкафах автоматики велика, поэтому сокращение размеров приборов является для компании «Контр­Авт» приоритетной задачей.

Обратим внимание, что при правильном конфигурировании монтаж барьеров вплотную друг к другу возможен во всем диапазоне температур эксплуатации, то есть до +70 °C.

Оптимизация тепловыделения и борьба с перегревом

Как известно, плотному монтажу приборов в узком корпусе 12,5 мм препятствует весьма существенное тепловыделение, которое происходит при формировании сигналов 4…20 мА, особенно при малых нагрузках. Для борьбы с этим явлением во всех модификациях барьеров KA5003Ex и KA5004Ex реализован специальный механизм снижения тепловыделения внутри барьера при малых значениях сопротивления нагрузки.

Пользователь при конфигурировании прибора с помощью ПО SetMaker может указать значение сопротивления используемой нагрузки R_н. С учетом введенного значения приборы оптимизируют напряжение питания блока формирования выходной токовой петли. Значение напряжения автоматически подбирается таким образом, чтобы основное выделение тепла происходило на нагрузке R_н, а не внутри прибора, тем самым исключается перегрев корпуса.

Модификации

К заказу доступны две модификации барьера KA5003Ex и три модификации КА5004Ех. Код модификации представляет собой две цифры после наименования модели барьера.

Первая цифра указывает на наличие или отсутствие шинного соединителя:
- 0 – без шинного соединителя;
- 1 – с шинным соединителем (питание, дополнительный выход АВАРИЯ).

Вторая цифра указывает на наличие или отсутствие сигнализации и интерфейса RS‑485:
- 0 – сигнализации и интерфейса RS‑485 нет;
- 1 – сигнализация есть, интерфейса RS‑485 нет;
- 2 – сигнализации нет, интерфейс RS‑485 есть;
- 3 – сигнализация и интерфейс RS‑485 есть.

Для удобства все модификации барьеров КА5003Ех и КА5004Ех сведены в единую таблицу 2.

Опубликовано_в журнале «ИСУП» № 1(115)_2025

А. Г. Костерин, генеральный директор,
ООО НПФ «КонтрАвт», г. Нижний Новгород,
тел.: +7 (831) 260‑1308,
e‑mail: sales@contravt.ru

Иллюстрации предоставлены компанией ООО НПП «Универсал Прибор»